李揚(yáng)波, 容 耀, 任志勇, 吳 波, 劉 聰, 梁 華

(1. 東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013; 2. 東華理工大學(xué) 江西省地質(zhì)環(huán)境與地下空間工程研究中心,江西 南昌 330013; 3.湖南教建集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410013; 4.江西省交通投資集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330003)

大直徑CFG樁復(fù)合地基具有承載能力高、工期短、適應(yīng)性廣等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于房建、交通等領(lǐng)域的地基處理(Niu et al., 2018;劉志勇,2018;黃強(qiáng)兵等,2020)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大直徑樁復(fù)合地基的力學(xué)特性開(kāi)展了研究,湯益敏(2013)發(fā)現(xiàn)CFG樁樁徑越大,樁土應(yīng)力比越小,指出樁徑是復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素;李海生(2016)利用Plaxis分析大直徑混凝土樁復(fù)合地基樁土荷載分配規(guī)律;徐新星等(2018)利用Abaqus分析了不同樁長(zhǎng)的素混凝土樁和大直徑水泥土攪拌樁組合成的多樁型復(fù)合地基樁土應(yīng)力比影響規(guī)律;Bai等(2020)研究了大直徑樁的力學(xué)傳遞特性以及承載力影響因素。由此可知,樁土荷載分擔(dān)規(guī)律是大直徑樁復(fù)合地基研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一,樁土應(yīng)力比是反映樁土荷載分擔(dān)規(guī)律的主要參數(shù)。

在褥墊層協(xié)調(diào)作用下,CFG樁與樁間土共同承受上部結(jié)構(gòu)荷載(任鵬等,2008;李國(guó)勝,2019)。亓樂(lè)等(2009)指出褥墊層厚度的設(shè)計(jì)是復(fù)合地基承載力能否全部發(fā)揮的關(guān)鍵因素;段曉沛等(2010)通過(guò)褥墊層模型試驗(yàn)研究得出合理的褥墊層厚度對(duì)樁土之間受力協(xié)調(diào)起著關(guān)鍵作用;劉鵬等(2015)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了褥墊層厚度和模量對(duì)剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響;Zheng等(2008)利用Ansys研究了不同影響因素對(duì)樁土應(yīng)力比的影響,指出樁土應(yīng)力比受褥墊層厚度影響最為顯著。因此,褥墊層厚度是CFG樁復(fù)合地基中樁土應(yīng)力比最重要的影響因素之一。

目前,CFG樁復(fù)合地基的承載力通常采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2012)推薦的公式計(jì)算,由CFG樁承擔(dān)主要荷載,不能充分發(fā)揮樁間土的承載能力。鑒于此,筆者基于相似關(guān)系開(kāi)展大直徑CFG樁復(fù)合地基模型試驗(yàn),分析砂土地基中褥墊層厚度對(duì)大直徑CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響,提出能合理反映褥墊層厚度對(duì)樁土應(yīng)力比影響規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。研究大直徑CFG樁復(fù)合地基的樁土荷載分擔(dān)規(guī)律對(duì)于充分發(fā)揮CFG樁復(fù)合地基的承載能力具有重要意義。

1 模型試驗(yàn)

1.1 相似比設(shè)計(jì)

為研究大直徑CFG樁復(fù)合地基在荷載作用下樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律,依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2012)設(shè)計(jì)本次模型試驗(yàn)基本參數(shù),結(jié)合試驗(yàn)條件確定幾何相似常數(shù)CL=15和彈性模量常數(shù)CE=1,并根據(jù)Buckingham相似定理進(jìn)行推導(dǎo)換算;得到模型試驗(yàn)相關(guān)物理量之間的相似比關(guān)系,如表1所示。

表1 相似比關(guān)系表

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/h3>

大直徑CFG樁復(fù)合地基模型試驗(yàn)系統(tǒng)由大型模型箱、液壓加載裝置和自動(dòng)測(cè)量采集裝置等組成。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溟L(zhǎng)為2.5 m、寬為2 m、高為2 m,如圖1所示。加載裝置安裝在模型箱頂部的可移動(dòng)反力梁上,液壓加載器行程為20 cm,最大可提供200 kN的加載力,加載精度為1%,加載過(guò)程通過(guò)桿端的壓力傳感器控制和記錄。

圖1 模型箱試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)材料及參數(shù)

試驗(yàn)采用砂土作為地基土,地基土顆粒級(jí)配曲線如圖2所示,曲率系數(shù)為3.38,不均勻系數(shù)為4.43,干密度為1.89 g/cm3,含水率為4.28%,含水率與干密度關(guān)系如圖3所示,比重為2.64,黏聚力為4.64 kPa,內(nèi)摩擦角為22°,壓縮模量為28 MPa。

圖2 顆粒級(jí)配曲線

圖3 干密度與含水率關(guān)系曲線

依照相似比設(shè)計(jì),樁徑(定義為d)取54 mm,樁長(zhǎng)為1 m,樁間距為160 mm,梅花形布樁,樁身混凝土強(qiáng)度為C20。樁體配比(質(zhì)量比)為:水泥∶粉煤灰∶中砂∶礫石∶水=1.00∶0.25∶2.50∶4.23∶0.73。成樁方式是通過(guò)在PVC管中灌入配制好的混凝土預(yù)制而成,拆模后養(yǎng)護(hù)28 d,模型樁如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?/p>

褥墊層是復(fù)合地基的主要構(gòu)成部分,本次試驗(yàn)篩取粒徑為2 mm左右礫砂作為褥墊層的材料,如圖5所示。試驗(yàn)中壓實(shí)系數(shù)為0.95,最大干密度為2.2 g/cm3,并在褥墊層表面放置邊長(zhǎng)為400 mm,厚為10 mm的正方形承載鋼板。

圖5 褥墊層材料

1.4 傳感器測(cè)點(diǎn)布置

為獲得樁土應(yīng)力分擔(dān)規(guī)律,本次試驗(yàn)布置CFG模型樁與土壓力盒傳感器如圖6所示。共布設(shè)3個(gè)土壓力盒傳感器進(jìn)行測(cè)量樁間土和樁頂?shù)膽?yīng)力,傳感器分別布設(shè)于樁頂中心以及兩樁連線中心的樁間土表面上。使用數(shù)據(jù)采集儀完成土壓力盒數(shù)據(jù)的采集,并連接到電腦進(jìn)行記錄和保存。

圖6 CFG模型樁與土壓力盒傳感器布置示意圖

1.5 試驗(yàn)方案

本次共開(kāi)展3組模型試驗(yàn),褥墊層厚度(定義為h)分別為20 mm、40 mm和60 mm。試驗(yàn)采用分層均勻填筑法進(jìn)行制備,模型箱內(nèi)土體夯實(shí)程度需保持一致,樁間土體和樁端底部土體的地基土承載力均控制在110 kPa左右。首先將配制好的砂土分層填入模型箱夯實(shí)整平,為避免人工分層,相鄰層表面刮毛后再繼續(xù)填筑。為保證樁身和樁底部土體的均勻性,每隔30 cm使用微型地基承載力測(cè)試儀測(cè)定土體的承載力。當(dāng)土體填筑到CFG樁1/3樁長(zhǎng)時(shí),用水平尺對(duì)CFG樁的垂直度進(jìn)行矯正。填筑完成后靜置12 h,讓填筑土體固結(jié)(雷練武等,2018)。加載方式采用慢速維持荷載法,加荷范圍為0～32 kN,每級(jí)加載4 kN,共加載8級(jí),每隔10 min讀記一次試驗(yàn)數(shù)據(jù),超過(guò)1 h后每隔15 min讀記一次。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 褥墊層厚度對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

根據(jù)不同褥墊層厚度的樁頂應(yīng)力與樁間土應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果整理得到不同褥墊層厚度的樁土應(yīng)力比曲線(圖7),在相同褥墊層厚度下,隨荷載增加,大直徑CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比先快速上升后趨于穩(wěn)定。褥墊層厚度為20 mm、40 mm、60 mm的樁土應(yīng)力比變化范圍分別為5.15～11.20,2.49～5.59,0.63～2.10。褥墊層厚度較小時(shí),在加載的前期階段樁土應(yīng)力比整體增長(zhǎng)速率較快。隨著褥墊層厚度的增加,樁土應(yīng)力比總體增速逐漸減緩。

圖7 不同褥墊層厚度的樁土應(yīng)力比曲線

樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力隨著上部荷載增加均呈增加的趨勢(shì),但因樁土剛度差異顯著,CFG樁樁頂應(yīng)力比樁間土應(yīng)力增幅更大,所以樁土應(yīng)力比快速上升。繼續(xù)增大加載,樁土應(yīng)力比的增速減緩,這主要是因?yàn)槿靿|層在荷載作用下補(bǔ)充到剛度相對(duì)較小的樁間土,褥墊層逐漸壓密,更多荷載轉(zhuǎn)移到樁間土體,樁土應(yīng)力比增速逐漸減緩。

根據(jù)樁土比應(yīng)力曲線整理得到不同褥墊層厚度的樁土應(yīng)力比拐點(diǎn)特征值(表2),不同褥墊層厚度的樁土應(yīng)力比拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載值不同,褥墊層厚度為20～40 mm,即厚度為0.37d～0.74d時(shí),樁土應(yīng)力比拐點(diǎn)特征值下降明顯,說(shuō)明褥墊層厚度會(huì)影響樁土共同作用狀態(tài),體現(xiàn)了褥墊層調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力的重要性。

表2 不同褥墊層厚度樁土應(yīng)力比拐點(diǎn)特征值

2.2 褥墊層厚度對(duì)樁土荷載分擔(dān)占比的影響

圖8為不同褥墊層厚度下樁間土荷載分擔(dān)占比,褥墊層厚度為20 mm、40 mm、60 mm的樁間土荷載分擔(dān)占比范圍分別為47.60%～66.39%、64.55%～80.34%、82.89%～94.10%。樁間土荷載分擔(dān)占比隨荷載增大而降低,當(dāng)褥墊層厚度為0.37d～0.74d時(shí),適當(dāng)增加褥墊層厚度可以明顯改善樁間土荷載分擔(dān)能力。荷載較小時(shí),樁間土分擔(dān)了大部分荷載,這主要是因?yàn)闃堕g土承載面積比樁體的承載面積大,因而樁間土可分擔(dān)更多的荷載,與譚立(2015)研究結(jié)論一致。由于樁體剛度更大,樁體荷載分擔(dān)占比隨荷載增加逐漸增強(qiáng),褥墊層協(xié)調(diào)變形,樁土荷載分擔(dān)占比趨于穩(wěn)定。

圖8 不同褥墊層厚度下樁間土荷載分擔(dān)占比

圖9為不同褥墊層厚度下樁荷載分擔(dān)占比,隨褥墊層厚度增加,樁體荷載分擔(dān)占比與加荷初期相比分別增加了18.80%、15.79%、11.30%,可以發(fā)現(xiàn)褥墊層厚度具有協(xié)調(diào)樁荷載分擔(dān)的能力,但同時(shí)褥墊層也存在一個(gè)合理的厚度。褥墊層過(guò)薄,其協(xié)調(diào)能力有限,樁間土承載力不能得到充分利用,樁土之間承擔(dān)的荷載未能協(xié)調(diào)分配,對(duì)復(fù)合地基承載能力提高不顯著。褥墊層過(guò)厚,荷載在褥墊層中發(fā)生應(yīng)力擴(kuò)散,會(huì)使大直徑CFG樁體荷載分擔(dān)過(guò)小,荷載分擔(dān)占比變化范圍為6%～20%,未能充分利用大直徑CFG樁體高承載力的特點(diǎn),造成經(jīng)濟(jì)效益低。

圖9 不同褥墊層厚度下樁荷載分擔(dān)占比

結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果分析得知,大直徑CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比為5.4～11.2,褥墊層厚度范圍在0.37d～0.74d對(duì)樁土應(yīng)力比的調(diào)節(jié)效果明顯,褥墊層厚度取值范圍略大于現(xiàn)有規(guī)范(國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2012)給出的0.4d～0.6d參考值。

3 樁土應(yīng)力比經(jīng)驗(yàn)公式

樁土應(yīng)力比經(jīng)驗(yàn)公式是指基于多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,建立可以描述樁土應(yīng)力比與影響因素指標(biāo)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式。比如:姜文雨等(2018)基于樁側(cè)摩阻力線性分布假設(shè)推導(dǎo)出樁土應(yīng)力比計(jì)算公式;尚琴琴(2007)從極限平衡理論角度推導(dǎo)墊層參數(shù)對(duì)樁土應(yīng)力分擔(dān)占比的控制公式。目前這些樁土應(yīng)力比計(jì)算公式存在參數(shù)多而計(jì)算煩瑣的問(wèn)題,不便于推廣應(yīng)用。

基于模型試驗(yàn)結(jié)果分析得知,當(dāng)褥墊層厚度一定,荷載較小時(shí),樁土應(yīng)力比增速快,隨著荷載不斷增加,樁土應(yīng)力比增速逐漸減緩至趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。即在褥墊層厚度一定情況下,樁土應(yīng)力比曲線斜率隨荷載變化總體呈現(xiàn)先大后小的規(guī)律,存在明顯的非線性關(guān)系;隨著褥墊層厚度的增加,樁土應(yīng)力比的整體增速逐漸減小。因此筆者擬合出一個(gè)考慮褥墊層厚度的樁土應(yīng)力比經(jīng)驗(yàn)公式:

n=a(1-e-bx)cH

(1)

式中,n為樁土應(yīng)力比,H為褥墊層厚度與樁徑的比值(表3),x為歸一化的荷載值,a、b、c為擬合參數(shù)。

表3 褥墊層與樁徑比值參數(shù)

圖10為經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與模型試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果,筆者提出考慮褥墊層厚度的樁土應(yīng)力比經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,能夠體現(xiàn)樁土應(yīng)力比隨荷載增加先快速上升后增速減緩的規(guī)律,可以反映隨褥墊層增加樁土應(yīng)力比下降的特征。經(jīng)驗(yàn)公式能合理體現(xiàn)樁土應(yīng)力比隨荷載和褥墊層厚度變化的特性。

圖10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型曲線對(duì)比

4 結(jié)論

(1)褥墊層厚度對(duì)大直徑CFG樁復(fù)合地基影響顯著。褥墊層厚度一定時(shí),樁土應(yīng)力比隨荷載增大先快速上升后趨于穩(wěn)定;隨褥墊層厚度增大,樁土應(yīng)力比逐漸減小。

(2)在加載初期,樁間土承載面積比樁體的大,樁間土承擔(dān)大部分荷載,但由于樁土剛度差異顯著,隨著荷載增加,大直徑CFG樁承擔(dān)荷載能力逐漸發(fā)揮,樁體荷載分擔(dān)占比快速增加,樁土應(yīng)力比上升。

(3)褥墊層厚度對(duì)樁土應(yīng)力分配起著重要作用。褥墊層厚度過(guò)薄不利于樁間土承載能力的發(fā)揮,褥墊層過(guò)厚不利于樁體承載能力的發(fā)揮。砂土地基中,當(dāng)樁土應(yīng)力比為5.4～11.2,褥墊層厚度合理取值范圍為0.37d～0.74d,略大于現(xiàn)有規(guī)范的0.4d～0.6d參考值。

(4)基于不同褥墊層厚度下樁土應(yīng)力比曲線特征,提出了能反映褥墊層厚度的樁土應(yīng)力比經(jīng)驗(yàn)公式,可為大直徑CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。