刚性基础下柔性桩加筋复合地基室内模型试验研究

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(1.太原理工大学， 山西太原030024； 2.太原市龙城发展投资有限公司， 山西太原030002；3.山西建筑工程总公司， 山西太原030000)

0 引言

柔性桩加筋复合地基因具有工期短、施工方便、质量易控、造价低、环保等优点，被作为处理不良地基在公路、铁路、建筑等领域广泛应用。近年来，国内外专家学者采用模型试验、现场试验、数值模拟和理论分析对桩—网复合地基展开了系统的研究。国外，Barchard[1]建立了桩—网复合路基模型试验，认为在桩—网复合路基中，土拱效应的荷载传递能力受到桩和土工格栅的影响，而在桩承式路堤中，影响土拱效应的荷载传递能力因素只有桩。Chew 和Phoon(CHEWH S H, PHOON H L, Geotextile Reinforced Piled Embankment Full-scale Model Tests[C]∥Proceeding of the 3rd Asian Regional Conference on Geosynthetics，Seoul，Korea，June 21-23， 2004:661-668)建立了桩—网复合路基的室内模型，认为在垫层中水平布置筋材对土拱效应有明显的增强作用。 Hong等[2-3]开展了大量桩承路基模型试验与桩承式加筋路基模型试验，认为地基所承担的作用力经由土拱效应传向下传递给桩。Van Eekelen 等[4]进行了大量的桩承式加筋路堤的室内模型试验，认为在相邻的两根桩之间，垫层中土的应力呈条形分布。国内，曹卫平等[5]进行了桩承式加筋路堤的室内模型试验，认为在垫层中布置土工格栅的能够提高了路基中的桩土应力比的比值。马强等[6]构建桩—网复合路堤的力学计算模型，对格栅的的挠度计算公式进行了推导。国内许多学者对桩—网结构开展了现场试验和室内模型试验，研究其承载特性[7-15]对刚性基础下柔性桩加筋复合地基的承载机理以及沉降规律进行定性定量研究，可为进一步提高建筑地基承载力、控制地基沉降、保障多层建筑及小高层建筑工程质量以及优化设计提供理论参考依据。

本试验采用自行研发的试验装置，对柔性桩加筋复合地基进行室内小比尺模拟试验，通过沉降标获取模型桩顶和桩间土等高位置沉降数据；对柔性桩加筋复合地基中格栅上下的土压力、桩间土部位筋材应变进行定时监测，分析了在荷载作用下柔性桩加筋复合地基的承载特性的演化规律和加筋垫层的应力扩散作用。

1 试验设备

图1 模型箱Fig.1 Model box

模型箱由箱体、加载系统、夹具系统、量测系统、数据采集系统等部分组成。箱体尺寸为1 500 mm×1 500 mm×1 500 m(长×宽×高)，在模型箱的左侧及背面的1 200 mm处开孔，设定滑轮，正面及右侧的1 200 mm处安装了套孔，在水平方向为格栅提供预应力。为减小左右两侧及背面活动挡板侧向变形，在钢板上焊角钢加固。模型箱的基本构造如图1所示。加载系统由分离式油压千斤顶、输油管、油泵和载荷板组成。千斤顶的最大量程为100 kN，精准度为0.5 kN。载荷板为600 mm×800 mm×20 mm钢板。

2 试验材料

2.1 石膏桩

本次试验采用厂家定制的石膏桩模拟现场柔性桩，结合模型箱的尺寸，根据模型试验的相似准则，石膏桩径分别为40 mm、60 mm和80 mm，桩长为600 mm，泊松比为0.19，弹性模量为0.63 GPa。采用应变片量测格栅应变，将土工格栅用脱脂棉蘸无水乙醇擦洗干净，采用AB胶将橡皮筋粘在土工格栅上，502胶粘贴应变片，应变片表面涂一层较厚的704硅胶。

2.2 土工格栅

选用聚丙烯双向拉伸土工格栅，土工格栅四周要用夹具夹紧，夹具连接钢丝绳，钢丝绳与套孔相连或者钢丝绳要穿过模型箱预留的孔洞并绕过定滑轮。土工格栅的参数见表1。

表1 土工格栅参数Tab.1 Parameters of geogrid

2.3 试验用土

试验用土选取太原东山湿陷性黄土，过3 mm方孔筛，含水率控制在最优含水率15 %左右，厚度为1 200 mm，分层铺填夯实，每层厚度为200 mm，夯实至厚度150 mm。垫层为200 mm厚三七灰土，含水率控制为最优含水量23 %左右。试验用土的物理力学性质见表2。

表2 试验用土的物理力学性质Tab.2 Physical and mechanical properties of soil

3 试验方案

柔性桩复合地基室内模型试验中影响地基承载力和沉降的因素较多，本次试验主要探究是否加筋、对土工格栅施加预应力、柔性桩的直径对柔性桩加筋地基产生的影响，共开展六组试验，具体分组见表3。下部持力层厚度为600 mm。选取三种桩径，分别为40 mm、60 mm、80 mm，桩长均为60 cm，桩距均为135 mm，梅花桩形式布桩，在最中间的3根石膏桩的桩身上贴应变片。垫层厚度为200 mm，布置在垫层中高出桩顶50 mm处。桩底布置3个土压力盒，垫层中布置18个土压力盒；三个沉降标分别埋设在模型箱底部、桩底和桩顶。室内模型试验的设备装置布置见图2和图3。

表3 柔性桩加筋复合地基室内试验分组Tab.3 Orthogonal experimental grouping of flexiblereinforced composite foundation

分10级加载，每级5 kN，每次加载前后记录载荷板沉降量。1 h内沉降量小于0.1 mm时，加载下一级，载荷板累计沉降量达到36 mm时，停止加载。然后分5级进行卸载，每级10 kN。经过12小时充分回弹后，试验结束。每10 min记录一次沉降的读数。

图2模型试验布置示意图
Fig.2Modeltestschematicmap

图3石膏桩的布置
Fig.3Gypsumpilearrangement

4 试验结果与分析

4.1 桩径的影响

桩径分别为40 mm、60 mm、80 mm的柔性桩加筋复合地基沉降随荷载变化曲线见图4。由图4可以看出桩径为60 mm、80 mm的复合地基在加载初期的沉降较为接近，均小于桩径为40 mm。加载超过60 kPa时，桩径80 mm的加筋复合地基沉降呈现出明显小于60 mm桩径的复合地基。自始至终40 mm桩径的复合地基沉降均大于60 mm桩径的复合地基。由此可以得出，在一定桩径范围内，桩径越大，地基沉降越小。

在上部荷载作用下，桩与桩间土的差异沉降导致垫层中土工格栅产生拉应力，研究格栅上的拉应力能有效地分析土工格栅的工作性能。三种桩径40 mm、60 mm、80 mm的柔性桩加筋复合地基垫层中土工格栅的应力分布情况如图5所示。

图4不同桩径的柔性桩加筋复合地基p-s曲线
Fig.4P-Scurvesofflexiblepilesreinforcedcompositefoundationwithdifferentpilediameters

图5柔性桩加筋复合地基中格栅中拉应力曲线
Fig.5Tensileforcecurveingridinflexiblepilereinforcedcompositefoundation

由图5可知：

① 在三种桩径的加筋复合地基中，均表现出随着在复合地基上荷载增大，垫层中土工格栅上的拉应力增大。

② 在桩径为60 mm、80 mm的柔性桩加筋复合地基中，均表现出荷载较小时，土工格栅上拉应力的增加较缓，随着荷载增大，格栅上拉力的变化幅度逐渐增大的趋势；桩径为40 mm的柔性桩加筋复合地基中，垫层中土工格栅的拉应力变化曲线较陡，随着荷载的增大，拉应力增加较快。

③ 与桩径40 mm相比，桩径为60 mm、80 mm时柔性桩加筋复合地基垫层中的土工格栅拉应力较小，以复合地基上施加80 kPa荷载时为例，桩径为40 mm、60 mm、80 mm时，复合地基上施加80 kPa荷载时，垫层中格栅上拉力的大小分别是187.5 N、55.7 N和41.3 N。即在柔性加筋复合地基中，在一定范围内较大的桩径的垫层中格栅上的拉应力较小。

图6 垫层中格栅上下土压力之比变化曲线Fig.6 Curve of the ratio of the earth pressure above and under the grid in the cushion

垫层中格栅上下土压力之比反映出垫层中土压力变化曲线见图6，由图可知：

① 在桩径为40 mm、60 mm、80 mm的柔性桩加筋复合地基中，均表现出垫层中格栅下土压力与格栅上土压力之比大于1，即垫层中格栅下土压力大于格栅上土压力。

② 在桩径为40 mm、60 mm、80 mm的柔性桩加筋复合地基中，均表现出垫层中格栅下土压力与上土压力之比随着荷载增大而增大。

③ 在桩径为40 mm、60 mm、80 mm的柔性桩加筋复合地基中，在荷载为20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa时均表现出桩径较大的复合地基中垫层格栅下土压力与上土压力之比较大。

4.2 加筋的影响

加筋作用对柔性桩加筋复合地基沉降随荷载变化曲线见图7。由图7可以看出加筋与未加筋的复合地基在加载初期0～20 kPa的沉降较为接近，加载超20 kPa时，柔性桩加筋复合地基沉降呈现出明显小于未加筋柔性桩复合地基。由此可见，加筋在柔性桩复合地基中起到很好的提高地基承载力及减小地基变形的作用。

为研究加筋作用对柔性桩加筋复合地基垫层中土工格栅下土压力与上土压力之比的影响，对比分析同为桩径60mm时未加筋与加筋情况下的土压力分布曲线见图8。

图7加筋与未加筋柔性桩加筋复合地基p-s曲线
Fig.7p-scurveofreinforcedandnonreinforcedflexiblepilecompositefoundation

图8不同加筋条件下格栅下
土压力与上土压力之比变化曲线
Fig.8Curvesofratioofsoilpressurebelowandabovethegeogridunderdifferentreinforcementconditions

与未加筋的柔性桩复合地基相比，柔性桩加筋复合地基垫层中格栅下土压力与格栅上土压力之比相对较小，增长幅度相对较慢。土工格栅的加入，承担一部分荷载，从而格栅下土压力比无格栅垫层中的土压力相对较小。

4.3 预应力的影响

不同预应力条件下柔性桩加筋复合地基沉降随荷载变化曲线见图9。由图9可以看出，不同预应力条件下柔性桩复合加筋复合地基三条p-s曲线变化规律较为接近，可见土工格栅施加预应力对柔性桩加筋复合地基提高地基承载力及减小地基变形的作用不大。

图9不同预应力条件下柔性桩复合
加筋复合地基p-s曲线
Fig.9P-Scurvesofcompositefoundationwithflexiblepilesunderdifferentprestressingconditions

图10不同预应力条件下格栅拉力变化曲线
Fig.10Changecurveofgridtensionunderdifferentprestressingconditions

图11 不同预应力条件下垫层中格栅下土压力与格栅上土压力之比变化曲线Fig.11 Curves of ratio ofsoil pressure below and above the geogrid under different prestressing conditions

在土工格栅不同预应力的情况下，柔性桩加筋复合地基上施加20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa荷载时，垫层中格栅下土压力与格栅上土压力之比的变化曲线见图7。由图7可见，土工格栅上预应力增大，土工格栅下土压力与格栅上土压力之比减小。其主要原因是，预应力的加入使土工格栅承受更多的拉力，应力扩散的效果更好，从而减小了垫层下的土压力与垫层上的土压力之比。

5 结论

本文通过对刚性基础下柔性桩加筋复合地基的室内模型试验，考虑桩径、有无格栅、格栅上的预应力三种因素，共设计制备了六组模型试验，研究了刚性基础下柔性桩加筋复合地基中土工格栅的变形特征和力学性质，可得出以下结论：

① 在桩径为40 mm、60 mm、80 mm的柔性桩加筋复合地基中，垫层中格栅下土压力大于格栅上土压力，随着荷载增大而增大，桩径较大的复合地基中垫层格栅下土压力与上土压力之比较大。

② 土工格栅上预应力增大，土工格栅下土压力与格栅上土压力之比减小。

③ 与未加筋的柔性桩复合地基相比，柔性桩加筋复合地基垫层中格栅下土压力与格栅上土压力之比相对较小，应力扩散效果更好。