边载作用下复合地基沉降及差异沉降研究

李秋彬，乔京生

(1.唐山市政府投资工程建设管理中心，河北 唐山 063000;2.唐山学院 土木工程系，河北 唐山 063000)

近年来CFG桩复合地基已在全国23个省、市广泛推广使用，与桩基相比，由于CFG桩桩体可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3～1/2，经济效益和社会效益非常显著。

目前随着试验研究的不断深入、新的施工设备和施工工艺的出现，荷载很大的高层和超高层建筑地基处理工程不断增多。和多层建筑相比，高层和超高层建筑基础埋深大，一般不低于5 m，有的甚至达到20 m。基础埋深大、边载大，边载对复合地基承载性状有什么样的影响，实际工程中应如何考虑边载效应，是需要解决的一个重要问题。

本文通过模型试验，研究了四种边载情况下CFG桩复合地基沉降和差异沉降特性。并根据试验数据经线性回归得到边载效应下复合地基沉降计算的经验公式，为复合地基设计提供了技术支持。

1 模型试验设计

1.1 准则方程及参数

由于影响复合地基应力、变形的因素很多，采用矩阵法推导准则方程为

式中，σP为桩体应力;σS为土体应力;μ为沉降;Pb为边载;P为荷载;L为桩长;D为桩径;Sa为桩间距;EP为桩的弹性模量;ES为土体压缩模量;ES1为加固区土体的压缩模量;ES2为下卧层土体的压缩模量;ESC为褥垫层弹性模量;γ为土体的密度;φ为土体的内摩擦角;C为土体的黏聚力;υ为土体的泊松比;e为土体的孔隙比;H为褥垫层厚度;A为桩横截面面积。

1.2 试验内容

模型试验利用城市地下工程相似模拟试验系统完成，共进行了8组模型试验，量测不同等级竖向荷载、边载作用下复合地基中桩、边桩、角桩的沉降及总体沉降，以及中桩、边桩、角桩的桩顶应力和桩端应力。试验内容及主要参数列于表1。

表1 试验内容及参数

1.3 试验方案

1.3.1 模型材料

1)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可知［3-4］:采用粉质黏土作为模型土。压缩模量:加固区为4.2 MPa;下卧层为11.5 MPa。

2)模型桩。本文以CFG桩(水泥粉煤灰碎石桩)复合地基为研究对象，按实际工程配比制作模型桩，同时制作试块养护28 d后经过试验，测得立方体抗压强度为14.5 MPa，弹性模量为11 200 MPa。

3)褥垫层。褥垫层采用粒径不大于1.5 mm的细砂。

1.3.2 测试设备元件(见表2)

表2 测试设备及元件

2 边载作用下CFG桩复合地基沉降研究

有无边载的条件下，CFG桩复合地基荷载试验的P—s曲线见图1。边载作用使得 CFG桩复合地基承载力有较大提高，同一荷载作用下，有边载条件下的沉降量低于无边载条件下的沉降量，且边载越大这种趋势越明显。以9根桩复合地基为例:在竖向荷载P=400 kPa时，边载 Pb=100 kPa，150 kPa，200 kPa 时复合地基总沉降分别是无边载时的89%，79%和71%。如以s/b=0.01(s为沉降量，b为加载板宽度)对应的荷载为地基承载力，则边载 Pb=0，100 kPa，150 kPa，200 kPa时的地基承载力分别为405 kPa，440 kPa(提高 9%)，455 kPa(提高 12%)和 478 kPa(提高 18%)。

图1 3根桩、9根桩复合地基P—s曲线

3 边载作用下CFG桩复合地基差异沉降研究

图2 3根桩复合地基不同边载下中边桩差异沉降曲线

图3 9根桩复合地基不同边载下中边桩、中角桩差异沉降曲线

从图2和图3可以看出，无论3根桩复合地基还是9根桩复合地基，在竖向荷载作用下都存在差异沉降，差异沉降随竖向荷载的增加有增大趋势。群桩中的桩间土由于受到桩的遮拦作用，在竖向荷载作用下，将产生较大的法向应力，但这种法向应力，对于中桩、边桩和角桩的桩周土来说，由于桩的约束作用不同也是不一样的。对于角桩来说，桩周土的约束最小，所以其法向应力最小。边桩桩周土次之，中桩桩周土在荷载作用下的法向应力最大。这种法向应力的不同导致了桩周土对中桩、边桩、角桩侧摩阻力的不同。如前所述，这种法向应力随土体深度的增加而很快减弱，所以只对负摩阻力产生较大影响，桩身最大应力者仍为中桩，边桩次之，角桩最小。对于深部土体来讲，中桩、边桩、角桩受其它桩的应力叠加的程度也是不同的。中桩受其它桩的应力传递影响最大，边桩次之，角桩最大。所以，中桩的桩侧正摩阻力最小，边桩次之，角桩最大，但相差不大，最终导致桩端应力和沉降的大小排序为中桩、边桩、角桩。

而随着边载的增加，差异沉降也随之增大，这主要是由于边载的约束作用对边、角桩发挥较大，使边桩、角桩沉降减小，中桩距边载作用点相对较远，约束作用不明显，故中桩的沉降仍较大，这一点可以通过3根桩复合地基与9根桩复合地基沉降差的比较可以看出，3根桩复合地基中边桩沉降差明显小于9根桩复合地基，这是由于3根桩复合地基受边载影响较大，而9根桩复合地基的中桩相对距离边载作用点较远，而实际工程中，中间区域的桩距离边载更远，这种现象将更加明显，在实际工程中应给予高度重视。

4 边载作用下CFG桩复合地基深层变形特性

由深层变形标测量的复合地基在不同荷载作用下不同深度处的变形，绘制的CFG桩复合地基中各深度的变形曲线如图4所示。可以看出，在荷载板下部，有边载条件下的变形量小于无边载条件下的变形量;而荷载板以外的变形量则大于无边载条件下的变形量。由于边载的作用抑制了基础外侧土体向上隆起，导致同一深度处的变形趋于均匀化。

图4 有无边载(边载为200 kPa)时CFG桩复合地基不同深度的变形曲线(单位:mm)

5 边载作用下CFG桩复合地基沉降计算研究

目前复合地基沉降计算公式较多，但很少考虑边载影响，本文结合模型试验数据，在传统复合地基沉降计算的基础上，提出考虑边载效应的复合地基计算公式为(适用于桩数不多于10根的情况)

式中，spb为边载作用下复合地基沉降;pb为边载;s0为无边载作用下复合地基沉降。

6 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，试验研究了不同等级边载条件下群桩复合地基沉降及差异沉降特性。得到如下结论:

1)在边载效应作用下，复合地基沉降比无边载时有所降低，承载力提高;边载作用为100，150和200 kPa时，承载力较无边载时分别提高9%，12%和18%。

2)有边载作用和无边载作用的复合地基都存在差异沉降，且随着桩数增加，有边载作用的复合地基差异沉降有增大趋势。

3)提出基于边载效应的复合地基沉降计算公式，可结合无边载的复合地基沉降计算，得到边载效应下复合地基的沉降。

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