变截面与等截面桩复合地基沉降对比分析

黄礼胜

(湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲 412007)

0 引言

混凝土预制管桩是一种常见的预制桩，具有桩身强度高、检测方便、施工周期短、造价经济等优点，在房屋建筑、道路桥梁及水利工程等领域的桩基工程及软基处理工程当中有大量的应用。文献［1］～［3］介绍了一种命名为混凝土芯水泥土搅拌桩在软弱地基中的应用，依据静载试验和数值模拟对混凝土芯水泥土搅拌单桩复合地基的承载力和沉降进行了研究，为工程的设计和施工的优化设计提供参考依据。刘志军和常聚友［4］通过对武广线路中的CFG桩处理路基的部分地段进行分析，依据静载试验确定单桩复合地基的承载力。霍锦宏［5］通过数值模拟分析了碎石桩单桩复合地基工作性状，探讨了碎石桩单桩复合地基的工作机理、破坏模式及加固机理，为碎石桩单桩复合地基的优化设计提供参考依据。张泰安和王军琪［6］通过对路基试验段的CFG单桩复合地基的承载力的研究，证明了静载试验能够检测CFG单桩复合地基的承载力。常聚友和王剑［7］通过对高速铁路单桩复合地基的试验研究，提出用承载力和沉降量控制路基稳定性将会更加可靠，单桩复合地基的承载力特征值由静力荷载试验确定，这为以后的单桩复合地基的设计提供了参考。

尽管前人就混凝土预制管桩设计理论和施工工艺做了一些有益的工作，但都是建立在等截面管桩基础上，关于变截面管桩复合地基的工作性状问题还鲜见报道。为此，本文依据静载试验结果，针对混凝土预制单桩复合地基的荷载—沉降曲线进行分析，揭示了混凝土预制单桩复合地基的荷载—沉降规律，以提高人们对混凝土预制单桩复合地基的认识，推动此技术的进一步研究。

1 模型试验

为了探讨混凝土预制单桩复合地基荷载—沉降的工作特性，研究了5组不同截面的混凝土预制单桩复合地基对比试验。模型试验在基坑内进行，土体采用本地红粘土，基坑内分层填筑红粘土。试验桩形状如表1所示。静载试验按JGJ 79-2012建筑地基处理技术规范［8］进行。

表1 试验桩的参数 cm

2 试验结果分析

在每级荷载增加10 kPa情况下，1号和4号单桩复合地基的荷载—沉降关系如图1所示。

图1 1号和4号的荷载—沉降曲线

由图1可以看出:1)变截面与等截面管桩复合地基的荷载—沉降曲线均为缓变形曲线;2)在相同荷载作用下，变截面管桩复合地基比等截面管桩复合地基的平均沉降小;3)沉降随荷载的增大而增大，随着荷载的逐渐增大且二者之间的沉降差逐渐增大，随着荷载的进一步增大，沉降增加的速率有增大的趋势。

以上现象表明:在相同地质条件下，变截面管桩复合地基能减小地基沉降，提高复合地基承载力。

在每级荷载增加16 kPa情况下，2号，3号和5号单桩复合地基的荷载—沉降关系如图2所示。

图2 荷载—沉降曲线

由图2可以看出:1)变截面与等截面管桩复合地基的荷载—沉降曲线均为缓变形曲线;2)在相同荷载作用下，变截面管桩复合地基比等截面管桩复合地基的平均沉降小;3)在荷载小于48 kPa情况下，沉降差值变化很小;在荷载大于48 kPa的情况下，随着荷载的逐渐增大，三种工况下的任意两种工况之间的沉降差逐渐增大且比较明显，随着荷载的进一步增大，沉降增加的速率有增大的趋势;在上管直径相同和其他条件不变的情况下，随着上下管径之比的逐渐增大而沉降值逐渐减小。

以上现象表明:1)在相同地质条件下且一定荷载范围内，变截面管桩复合地基才能有效发挥承载性能，其性能要优于等截面管桩复合地基;2)变截面管桩复合地基的管径之比对提高复合地基承载力有一定影响，总体上变截面管桩复合地基比等截面管桩复合地基能有效的减小地基沉降，提高复合地基承载力;3)在上管径相同时，此时就会存在一个最佳的上下管径之比，能够使管桩复合地基发挥其最大的承载性能，从而提高地基承载力。最佳的管径之比有待进一步研究。

3 结语

1)在相同荷载作用下，荷载—沉降曲线与截面形状有一定的关系;在上节管相同的条件下，下节管径较大的平均沉降值相对较小，管径之比的不同，进而沉降差值也有较大差异;从总体来看，变截面管桩复合地基比等截面管桩复合地基平均沉降值小。

2)在变截面管桩复合地基与等截面复合地基的情况下的荷载—沉降曲线均为缓变形曲线;在相同条件下，并不是管径之比越大承载性能就越好，这就存在一个最佳的管径之比在复合地基中发挥其最大的承载性能，从而提高复合地基承载力。最佳管径之比有待进一步研究。

［1］董 平，陈征宙，秦 然．混凝土芯水泥土搅拌桩在软土地基中的应用［J］．岩土工程学报，2002，24(2):204-207．

［2］董 平，秦 然，陈征宙．混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元研究［J］．岩土力学，2003，24(3):344-348．

［3］Ping Dong，Ran Qin，Zheng Zhou Chen．Bearing capacity and settlement of concrete-cored DCM pile in soft ground［J］．Geotechnical and Geological Engineering，2004，22(1):105-119．

［4］刘志军，常聚友．路基端承CFG桩完整性及单桩(复合地基)承载力研究［J］．土工基础，2009，23(1):85-88．

［5］霍锦宏．碎石桩单桩复合地基的承载性能研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009．

［6］张泰安，王军琪．CFG单桩及单桩复合地基承载力试验研究［J］．铁道工程学报，2009，7(7):20-24．

［7］常聚友，王 剑．高速铁路CFG单桩复合地基稳定性研究［J］．铁道工程学报，2010，9(6):52-55．

［8］JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范［S］．