CFG桩复合地基桩土荷载分担比的试验研究

康洪震,孟庆娟,乔京生

(唐山学院土木工程系,河北唐山 063000)

CFG桩复合地基桩土荷载分担比的试验研究

康洪震,孟庆娟,乔京生

(唐山学院土木工程系,河北唐山 063000)

桩土荷载分担比是反映复合地基力学性状的重要参数。本文利用国内大型三维大型模型试验台——中国矿业大学(北京)城市地下工程相似模拟试验系统进行了8组模型试验。试验分析了荷载、桩长、褥垫层厚度、加固区土体模量对桩土荷载分担比的影响,并根据试验数据经线性回归得到桩荷载分担比的经验公式。该公式与实际工程检测数据相比较达到较高的精度,可以直接应用于工程设计。

复合地基;桩土荷载分担比;模型试验;褥垫层

桩体复合地基中桩体和桩间土共同承担上部荷载。通常将桩、土承担的荷载与总荷载之比称为桩、土荷载分担比(分别为δP,δS),是反映复合地基工作状态的重要参数[1],也是复合地基承载力和沉降计算的重要指标。影响桩、土荷载分担比的因素很多,本文通过模型试验分析了荷载、桩长、褥垫层厚度、加固区土体模量等四个比较重要的影响因素对桩土比的影响。并根据试验数据经线性回归得到桩荷载分担比的经验公式,为复合地基设计提供了技术支持。

1 模型试验简介

本文所进行的模型试验是利用中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院的城市地下工程相似模拟试验系统完成的,该试验系统是国家“211工程”的重点建设项目,是国内最大的三维模型试验台,在国内处于领先地位[2]。

进行8组试验:改变桩长三组、改变褥垫层厚度三组、改变加固区土体模量二组。几何相似比1∶20。

试验方案:模型土体根据规范并结合北京、天津、唐山等地大量采用复合地基处理的工程实例[3],我们采用粉质粘土作为模型土。采用通过调整粘土含水率的方法区分加固区土层和下卧土层。下卧土层直接采用粉质粘土,加固土层将粉质粘土加适量水使其含水量控制在25%。填土过程中按每层虚铺15 cm,夯实充分固结后进行试验。对于加固区采取不同的夯实力度,形成不同的土体模量,经土工试验测定土体压缩模量分别为4.2 MPa,6.8 MPa,14 M Pa。模型桩以CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)复合地基为研究对象,根据工程实例及资料可知用于高层的CFG桩强度等级:C15～C25 MPa[4]。经过多次试验并考虑模型的几何相似比确定模型桩。水泥含量:12%;粉煤灰含量:10%;碎石(由于碎石粒径为3～5 cm,几何相似比为1∶20,故以粒径小于5 mm的中砂代替)63%;水:15%。制作模型桩的同时制作试块,养护28 d后经过试验,测得立方体抗压强度14.5 MPa,弹性模量为11 200 M Pa。褥垫层采用1.25 mm标准筛筛分后的细砂。

表1 试验内容及参数

2 试验结果及分析

2.1 不同桩长的复合地基

图1给出了不同桩长的单桩复合地基的桩土荷载分担比。复合地基承受荷载时,桩和桩间土都要发生沉降变形,由于桩的模量远大于土的模量,因此桩的变形比土的变形小。由于基础下设置了一定厚度的褥垫层,桩可以向上刺入,伴随这一过程,垫层材料不断调整补充到桩间土上,以保证基础始终把一部分荷载传递到桩间土上,也就能保证在任意荷载作用下桩和桩间土始终参与工作。加荷初期,桩周土承担较大荷载,桩承担的荷载相对较小,桩还有较大的发挥余地,桩土位移的调节没有稳定,因此桩土荷载分担比也不会稳定。随着荷载增加,桩体承担的荷载比例逐渐加大而土承担的荷载比例减小,桩土荷载分担比随荷载增加逐渐提高,桩的作用得到较为完全的发挥,进入桩土共同承担荷载的阶段。当荷载很大时,桩的支撑作用已非常明显,此时荷载的分担开始转向主要由桩来承担,桩土位移与应力比之间的调节趋于稳定并使应力比达到峰值,且逐渐稳定。

可以看出,桩土荷载分担比随桩长增加而加大,即桩越长其承担荷载越多,且随着荷载逐渐加大这种趋势更明显(300 kPa时,桩长为1-m,9 m的单桩复合地基桩荷载分担比约高于6 m单桩复合地基桩荷载分担比3%和6.2%, 500 kPa时,桩长为1-m,9 m的单桩复合地基桩荷载分担比约高于6 m单桩复合地基桩荷载分担比9.3%和18.6%)。

图1 单桩复合地基桩土荷载分担比

2.2 不同褥垫层厚度的复合地基

对桩长为6 m的单桩复合地基采用4种褥垫层厚度: 0 m,0.1 m,0.2 m,0.3 m,分别进行模型试验。

从图2可以看出,随褥垫层厚度的增加桩土荷载分担比有较大变化,褥垫层厚度越大,桩分担荷载越少,土分担荷载越多。故褥垫层厚度对桩土荷载的分配具有良好的调节作用。但随着垫层厚度的增加,它对应力调节的作用迅速减小,进一步增加厚度,褥垫层的效果将越来越不明显,在工程上也不经济。同时,在工程实践中也要避免褥垫层过薄,至少应保证场地平整的要求。其最佳厚度应控制在 0.1～0.3 m。

图2 不同褥垫层厚度复合地基桩土荷载分担比

2.3 不同加固区土体模量的复合地基

从图3可以看出加固区土体模量的变化对复合地基桩土荷载分担比和荷载分担都产生一定影响,加固区土体模量越大,土体越能承受更多的荷载,使土的分担比加大,桩土荷载分担比减小(p=300 kPa,加固区土体模量分别为4.2 M Pa,6.8 MPa,14 MPa时的桩荷载分担分别为39%, 33.8%和21%)。

3 桩土荷载分担比经验公式推导

根据模型试验结果,桩土荷载分担比主要与以下无量纲参数有关:荷载水平 p/p0,(为方便起见,取 p0=500 kPa),桩长与桩径之比L/D,褥垫层厚度与桩径之比 H/D,桩体弹性模量与加固区土体压缩模量之比 EP/ES。利用试验数据,通过线性回归可以得到桩荷载分担比的无量纲经验公式

图3 不同加固区土体模量复合地基桩土荷载分担比

表1 桩土荷载分担比统计 %

4 精度检验

唐山曹妃甸工业区首钢某工程为确保均匀沉降,采用CFG桩复合地基,桩长18.5 m,桩径0.415 m,褥垫层厚度0.15 m,桩体弹性模量1-500 M Pa,加固区土体平均压缩模量9.6 M Pa。对122号桩进行了桩土荷载分担比的测试,与公式计算结果相比较(见表1),由表1可见利用公式计算的桩土荷载分担比与现场测试值之差控制在10%以内,达到了较高的精度。

5 结论

本文利用城市地下工程相似模拟试验系统进行了8组模型试验,分析了荷载、桩长、褥垫层厚度、加固区土体模量对桩土荷载分担比的影响,并根据试验数据经线性回归得到桩荷载分担比的经验公式,经检验,达到较高精度,可为复合地基设计提供技术支持。

[1] 龚晓南.复合地基设计和施工指南[M].北京:人民交通出版社,2003:27-32.

[2] 乔京生.复合地基及变刚度复合地基的力学性状研究[D].北京:中国矿业大学,2005.

[3] 牛志荣,李宏,穆建春,等.复合地基处理及其工程实例[M].北京:中国建材出版社,2000:363-390.

[4] 徐至钧.水泥粉煤灰碎石桩复合地基[M].北京:机械工业出版社,2004:45-69.

(责任编校:李聪明)

Study of Pile-soil Load Share Ratio of CFG-Pile Composite Foundation with Model Experiment

KANGHong-zhen,MENG Qing-juan,QIAO Jing-sheng
(Tangshan College,Tangshan 063000,China)

Pile-soil load share ratio is an important parameter for mechanics properties of composite foundation.8 model experiments are conducted by similar simulation experiment system of urban under-ground engineering in China University of Mining&Technology,Beijing campus.Effect of Pile-soil stress ratio by loads,pile length,cushion thickness and reinforced field modulus are studied on the basis of model experiment.This paper puts forward experience formula of pile load share ratio by multivariate linear regression on the basis of experiment data.It show s good agreement with engineering cases.So it can be applied to engineering design directly.

composite foundation;Pile-soil load share ratio;model experiment;cushion

TU47-

A

1672-349X(2010)06-0001-02

2010-10-11

河北省建设科技研究项目(2008-260)

康洪震(1966-),男,博士,副教授,主要从事土木工程研究。