褥垫层对刚性桩复合地基承载性状的影响

刘鹏，杨光华，范泽，刘惠康，张玉成

(1.广州市黄埔区水务局，广东广州 510700;2.广州市水务规划勘测设计研究院，广东广州 510640; 3.广东省水利水电科学研究院，广东广州510610;4.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641)

褥垫层对刚性桩复合地基承载性状的影响

刘鹏1，2，杨光华3，范泽4，刘惠康4，张玉成3

(1.广州市黄埔区水务局，广东广州 510700;2.广州市水务规划勘测设计研究院，广东广州 510640; 3.广东省水利水电科学研究院，广东广州510610;4.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641)

褥垫层在刚性桩复合地基中起到协调桩土变形的作用，其厚度及变形模量等特性对刚性桩复合地基承载性状有较大影响，褥垫层关键参数值在工程常规值范围内变化时，复合地基承载性状有何影响并不清楚。为探讨褥垫层的厚度及变形模量在常规值范围内变化时对刚性桩复合地基承载性状的影响，结合工程实例进行了相关计算分析。结果表明，褥垫层厚度在100～500 mm之间及变形模量在40～140 MPa之间范围内变化时，对复合地基桩土应力比的影响较大，但对复合地基总沉降量的影响较小。另外，由于桩顶刺入褥垫层，桩身产生负摩阻力，负摩阻力对桩身承载有一定影响，但对复合地基总沉降量的影响有限，复合地基沉降计算时可以忽略其影响。

刚性桩复合地基;褥垫层;承载性状;桩土应力比

刚性桩复合地基由于沉降小、桩身质量可靠，且施工速度快，在工程建设中应用越来越广泛，对沉降变形的可控性已使其在高层建筑中的应用也越来越多。为揭示刚性桩复合地基承载性状，科技工作者对此作了大量研究［1～4］，有力地推动了刚性桩复合地基理论的发展。褥垫层在刚性桩复合地基中起到协调桩土变形的重要作用，但由于材料属性的不确定性，其工作机制及破坏机理均较复杂，对刚性桩复合地基承载性状的影响也较为复杂，厚度及变形模量是褥垫层的关键参数，许多学者对此进行了研究［5～7］。工程中复合地基载荷试验时，褥垫层一般采用中粗砂，厚度100～150 mm;刚性桩复合地基试验时褥垫层厚度一般取150 mm，变形模量一般为35～60 MPa。JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》［8］要求实际基础刚性桩复合地基褥垫层材料用中粗砂、级配砂石和碎石等，厚度300～500 mm;DBJ 15-38-2005《建筑地基处理技术规范》［9］要求厚度为200～400 mm;GB/T 50783-2012《复合地基技术规范》［10］要求厚度100～300 mm。试验采用的褥垫层与实际基础下褥垫层关键参数值是存在差异的。目前，工程中常用的褥垫层厚度200～400 mm，变形模量一般为50～120 MPa，在此区间范围，褥垫层对刚性桩复合地基承载性状有何影响不太清楚，研究褥垫层的厚度及变形模量在常规值范围内变化时对刚性桩复合地基承载性状影响，有利于指导工程应用。

1 桩土变形协调条件

刚性桩复合地基在正常工作状态时，桩、土共同承担上覆荷载，桩、土变形协调关系表现为桩和桩间土随同基础底板一起沉降［11，12］，见图1，刚性桩复合地基承载性状与褥垫层设置有关。

图1 复合地基工作示意

刚性桩复合地基桩土变形协调关系特性可用以下关系式表达。设有褥垫层的复合地基总沉降量为s0，则s0等于桩间土上部褥垫层变形量scs与桩间土沉降量ss之和，由式(1)表示:

s0也可以用桩顶上部褥垫层变形量(或桩顶刺入量)scp与桩顶沉降量sp之和表示:

式中:Δsp为桩身压缩量;sb为桩端沉降量。

有褥垫层复合地基桩土变形协调条件为:当s0=scs+ss=scp+sp时，桩、土变形是协调的，而当s0≠scs+ss或s0≠scp+sp时，桩、土变形是不协调的。

由于复合地基桩的竖向变形刚度远大于地基土竖向变形刚度，往往桩顶应力大，而地基土面应力较小，地基土顶面的褥垫层压缩变形量也相对较小，由式(1)可知，褥垫层厚度及变形模量对地基土沉降影响很小。但由于桩的变形刚度很大，桩顶应力大，桩顶褥垫层压缩变形量也较大，由式(2)可知，当复合地基沉降量不变时，如果桩顶部褥垫层压缩变形量大，桩顶沉降量就会小，按照单桩的p－s曲线，桩顶沉降量小对应桩顶分担的荷载小，桩土应力比也会小，由此可见，褥垫层可影响到复合地基承载性状。

2 褥垫层对承载性状影响实例分析

2.1 工程概况

芦苞水闸位于佛山市三水区芦苞镇芦苞涌的涌口，是北江大堤防洪工程的一座大型分洪闸，该水闸底板采用整体钢筋混凝土板基础，底板尺寸为92.0 m×22.0 m×2.0 m(长×宽×厚)。水闸闸室地基处理采用水泥粉煤灰碎石桩(即CFG桩)复合地基，根据上部荷载分布情况，复合地基处理划分为4个区域，其中A区桩间距为2.0 m ×2.0 m，承载力特征值330 kPa;B区桩间距为2.0 m×3.0 m，承载力特征值250 kPa;C区桩间距为2.5 m×2.0 m，承载力特征值270 kPa;D区桩间距为2.5 m×3.0 m，承载力特征值200 kPa。设计CFG桩桩端进入含砾粗砂层，桩径500 mm，水闸底板下布设共451根，平面布置如图2所示，剖面图见图3所示，桩间距为2.0 m×2.0 m，桩身设计强度C2 0，其弹性模量Ep=2.55×104MPa，碎石砂褥垫层厚300 mm，褥垫层变形模量为80 MPa。水闸地基下岩土层物理力学参数见表1。

图2 CFG水闸底板桩平面布置/mm

图3 CFG水闸底板桩剖面/mm

表1 岩土层物理力学性质指标

2.2 水闸沉降观测结果

观测点采用铜标点，在闸底板混凝土浇筑完成初凝前埋入，观测点按照设计要求布置，在水闸每孔底板上下游各布置1个沉降观测点，共布置8个沉降观测点。闸室每块底板完成后，测量一次，闸墩每升高一层测量一次，该部位全部完成后测量一次，然后每10天测量一次，30天后每月测量一次，直到工程完工，水闸沉降观测于2006年3月24日开始，根据观测结果，截止2007年3月28日，水闸底板沉降值在24～35 mm之间，平均值为29.5 mm。

2.3 褥垫层厚度对承载性状影响分析

假定褥垫层变形模量值不变，其厚度在一定范围内变化，考察其对复合地基承载性状的影响情况。褥垫层变形模量为80 MPa，其厚度分别为100、200、300、400及500 mm，分别计算水闸实际基础复合地基的p-s曲线，见图4，承载性状分析结果见表2，桩土应力比见图5。由图可知，在褥垫层变形模量相同(80 MPa)情况下，复合地基沉降随褥垫层厚度增大而增大，桩土应力比随褥垫层厚度增大而减小。

图4 复合地基p-s曲线

图5 复合地基桩土应力比

表2 不同厚度褥垫层复合地基性状计算结果

2.4 褥垫层变形模量对承载性状影响分析

假定褥垫层厚度值不变，其变形模量在一定范围内变化，考察对复合地基承载性状的影响情况。褥垫层厚度为300 mm，其变形模量分别为40、60、80、100、120及140 MPa，分别计算水闸实际基础复合地基的p-s曲线，见图6，承载性状分析结果见表3，桩土应力比见图7。由图可知，在褥垫层厚度相同(300 mm)情况下，复合地基沉降量随褥垫层变形模量增大而减小，桩土应力比随褥垫层变形模量增大而增大。

表3 不同变形模量复合地基性状计算结果

图6 复合地基p-s曲线

图7 复合地基桩土应力比

表4分析了褥垫层在厚度相同时，变形模量不同对水闸B区复合地基沉降的影响，与水闸沉降实测均值进行比较，可以看出，当变形模量与实际情况(80 MPa)存在或大或小的差异时，对复合地基沉降有一定的影响，但对于工程来讲，也是可以接受的。但褥垫层厚度超出常规变化范围时，应考虑对复合地基沉降的影响。

表4 不同变形模量B区复合地基沉降计算与实测均值对比

表5分析了褥垫层在变形模量相同时，厚度不同对水闸B区复合地基沉降的影响，与水闸沉降实测均值进行比较，可以看出，当褥垫层厚度与实际情况(300 mm)存在或大或小的差异时，对复合地基沉降有一定的影响，但对于工程来讲，也是可以接受的。但褥垫层变形模量超出常规变化范围时，应考虑对复合地基沉降的影响。

由此可见，当上部结构对沉降有严格要求时，应注意褥垫层厚度及变形模量对复合地基承载性状的影响。

表5 不同厚度褥垫层B区复合地基沉降与实测均值对比

3 褥垫层对桩身承载性状的影响

3.1 褥垫层对桩身受力性状的影响

设置复合地基褥垫层时，由于桩顶刺入褥垫层，桩体上部向下位移相对土体要小，桩身相应位置产生负摩阻力，直到桩体沉降超过地基土沉降才出现正摩阻力作用，正负摩阻力分界点称为中性点或临界点。负摩阻力对桩身承载有一定影响，国外对此已有研究［13，14］。由于负摩阻力的存在，导致桩身轴力增加，而正摩阻力可以减少桩身轴力。以上述芦苞水闸工程为实例，计算桩身摩阻力分布情况，复合地基沿桩深度方向桩体表面侧摩阻力随复合地基荷载不同分布情况见图8所示，桩体摩阻力中性点在桩顶下11 m附近，且随复合地基荷载增加沿桩体上移。桩身轴力随复合地基荷载增加的分布情况见图9所示，桩身轴力最大位于中性点。

图8 桩身沿桩深度方向摩阻力分布

图9 随复合地基荷载增加桩身轴力分布

3.2 褥垫层对桩身承载能力影响

单桩荷载试验时桩身不会出现负摩阻力，无褥垫层复合地基桩身也不会出现负摩阻力。芦苞涌水闸现场单桩载荷试验Q-s曲线见图10，单桩荷载沉降关系曲线也可以计算得到。考虑桩顶设置褥垫层，桩身出现负摩阻力，在褥垫层厚度不变和变形模量变化的情况下，计算得到单桩载荷沉降曲线，将单桩荷载试验曲线和单桩载荷沉降计算曲线与考虑负摩阻力单桩载荷沉降计算曲线对比见图11所示，由图可以看出，有无负摩阻力对桩的承载能力有一定影响，考虑负摩阻力的桩分担的荷载偏小。褥垫层变形模量越大，负摩阻力对桩分担荷载大小的影响越小。

单桩载荷试验曲线加上褥垫层(厚度300 mm，变形模量80 MPa)的变形后形成新的载荷沉降曲线，该曲线桩身没有负摩阻力，与带褥垫层(厚度均为300mm，变形模量不同)水闸实际尺寸基础下单桩的Q-s计算曲线对比，基础下单桩的Q-s计算曲线是有负摩阻力的，对比曲线见图12，水闸实际基础复合地基单桩荷载沉降计算时，考虑了桩土相对位移产生的负摩阻力，由图可以看出，考虑负摩阻力的桩体在相同沉降对应分担的荷载要小于试验单桩所分担的荷载，分担的荷载相对要小约20%。

图10 单桩载荷试验Q-s曲线

图11 桩身有无负摩阻力桩顶荷载沉降曲线对比

图12 有褥垫层桩体荷载沉降曲线对比

3.3 褥垫层对复合地基沉降量影响

计算实际基础复合地基B区复合地基荷载在250 kPa对应的沉降约31.7 mm，桩体承受负摩阻力作用，计算实际基础地基土p-s曲线与单桩荷载试验p-s曲线叠加成实际基础复合地基p-s曲线得到B区复合地基荷载在250 kPa对应的沉降约26 mm，桩体没有考虑负摩阻力，二者之间的沉降差为5.7 mm，桩体考虑承担负摩阻力比不考虑负摩阻力的复合地基沉降要大，但二者均在沉降实测范围内，考虑桩侧负摩阻力时的复合地基沉降与沉降实测平均值相差3.5 mm，所占水闸实际观测沉降平均值29.5 mm的比例约11.8%。不考虑负摩阻力时的复合地基沉降与沉降实测平均值相差2.2 mm，所占水闸实际观测沉降平均值29.5 mm的比例约7.4%。因此，在复合地基条件相同时，考虑负摩阻力与否对复合地基沉降影响有限，为应用方便，工程中褥垫层的厚度及变形模量在常规值范围内取值时，可以忽略桩侧负摩阻力对复合地基沉降的影响。

4 结论

(1)褥垫层厚度及变形模量在常规值范围内变化时，对复合地基桩土应力比有较大影响，但对复合地基总沉降量的影响较小。

(2)在复合地基条件相同时，考虑负摩阻力与否对复合地基沉降影响有限，工程中可以忽略桩侧负摩阻力对复合地基总沉降量的影响。

［1］龚晓南.广义复合地基理论及工程应用［J］.岩土工程学报，2007，29(1):1-13.

［2］杨光华，苏卜坤，乔有梁.刚性桩复合地基沉降计算方法［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(11): 2193-2200.

［3］杨光华，李德吉，官大庶.刚性桩复合地基优化设计［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(4):818-825.

［4］郑俊杰，陈健，骆汉宾，等.刚性桩复合地基垫层破坏模式及厚度分析［J］.华中科技大学学报(自然科学版)，2008，36(7):120-123.

［5］孙训海.基础刚度、褥垫厚度对刚性桩复合地基桩土承载性状的影响［D］.北京:中国建筑科学研究院，2010.

［6］郑刚，刘双菊，伍止超.不同厚度褥垫层刚性桩复合地基工作特性研究［J］.岩土力学，2006，27 (8):1357-1360.

［7］亓乐，施建勇，曹权.刚性桩复合地基垫层合理厚度确定方法［J］.岩土力学，2009，30(11): 3423-3428.

［8］JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［9］DBJ 15-38-2005，建筑地基处理技术规范［S］.

［10］GB/T 50783-2012，复合地基技术规范［S］.

［11］Liu P，Yang G H，Zhang Y C.Designmethod of longshort-pile composite foundation base on tangentmodulus in-situ loading test curve［J］.Advanced Materials Research，2011，243-249，2314-2323.

［12］刘鹏.尺寸效应对刚性桩复合地基承载性状影响的研究［D］.武汉:武汉大学，2014.

［13］Zeevaert L.Reduction of Point Bearing Capacity Because of Negative Friction［C］//First Pan American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.1959:1145－1152.

［14］Okyay U S，Dias D.Use of lime and cement treated soils as pile supported load transfer platform［J］.Engineering Geology，2010，114(1-2):34-44.

Cushion Effects on the Bearing Capacity Behaviors of the Rigid Pile Com posite Foundation

LIU Peng1，2，YANG Guang-hua3，FAN Ze4，LIU Hui-kang4，ZHANG Yu-cheng3
(1.Huangpu Water Authority，Guangzhou 510700，China; 2.Guangzhou Institute ofWater Plan Investigation and Design，Guangzhou 510640，China; 3.Guangdong Research Institute ofWater Resources and Hybropower，Guangzhou 510610，China; 4.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)

Cushion plays a pile-soil deformation coordination role in the rigid pile composite foundation，its thickness and deformation modulus characteristics have a great impact on bearing behavior rigid pile composite foundation.When cushion key parameters value within the normal value range in engineering，the impact on bearing capacity behaviors of rigid pile composite foundation is not clear.In order to approach the effectof cushion thickness and deformationmodulus in the range of normal values on the bearing characters in rigid pile composite foundation，engineering example was calculated and analyzed.The results show thatwhen the thickness of cushion within the range of 100 mm to 500 mm and deformation modulus varied in the range of 40 MPa to 140 MPa it has a great effect on pile-soil stress ratio but little on the settlement.In addition，the negative friction as the pile penetrated the cushion negative has a certain influence on the bearing of the pile，but limited on the total settlement of composite foundation.The effectof the penetration of the pile end can be ignored in the settlement calculation composite foundation.

rigid pile composite foundation;cushion;bearing capacity behaviors;pile soil stress distribution ratio

TU472;TU473.1

A

2095-0985(2015)02-0013-06

2015-03-05

2015-04-13

刘鹏(1977-)，男，湖北孝昌人，高级工程师，博士，研究方向为岩土工程(Email:lpp_rock@163.com)

国家自然科学基金(51378131);广州市水务局水利科研项目(穗水科研2008-05)