长短桩复合地基荷载分担比的试验研究

葛忻声，鹿宏伟，李 斌，饶江勇，杨 勇

（1.太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024；2.潍坊工商职业学院，诸城 262234；3.北京市勘察设计研究院，北京 100038；4.湖北省交通规划设计院，武汉 430051)

长短桩复合地基作为一种较新的地基处理方式，在满足地基承载力及沉降要求的同时具有较好的经济性［1］。近年来许多学者对这种新型复合地基进行了初步研究［2-11］，但对其理论研究还远远不够。本文通过室内模型试验对长短桩复合地基荷载分担比随几种因素的变化规律进行了初步的探讨分析，总结其变化规律，分析结果能够为长短桩复合地基的进一步优化设计提供依据。

1 室内模型试验方案

模型试验的模型箱尺寸是100cm×100cm×90 cm，由钢板和有机玻璃接成方箱，选用太原市汾河沿岸砂土为模型填料（物理力学指标如表1所示)，承压板采用钢板，尺寸为560mm×560mm×20mm，采用白色石英砂模拟实际工程中的碎石垫层。

表1 装箱砂土物理指标

对照试验采用25桩方案，其中刚性桩9根（长60cm)、柔性桩16根（长30cm)，平面布置如图1所示。模型桩为空心铝管（弹性模量为70000 MPa，直径30mm，管壁厚2mm)和PPR管（弹性模量为800MPa，直径30mm，管壁厚3.5mm)，桩间距4倍桩径。

图1 模型试验长9短16布桩方式

为测定模型试验中桩身的轴力，本次试验在模型桩上安装应变测量仪器，再根据虎克定律（P＝EAε)将测得的应变值转化为应力值。桩身上的应变片数据由日本产Super DATA LOGGER 7V08采集仪获得。应变片均为对称布置，刚性桩在桩长五等分点布置8片，柔性桩在桩长四等分点布置6片。不同荷载下的长短桩复合地基沉降量测采用对称布置的3个量程为5cm的百分表，精度为0.01 mm。竖向荷载由液压千斤顶加载，10到60kN。

笔者研究了不同桩间距、垫层厚度、长桩长度、短桩长度、长桩模量和短桩模量等情况下长短桩复地基逐级加载下荷载分担比的变化规律。模型试验参数设计如表2所示。

表2 模型试验参数设计

2 结果整理及规律研究

桩土荷载分担比是反映桩土共同工作特性的最直观指标，随竖向荷载变化，桩承担荷载和桩间土承担荷载发生消长变化。本文中长、短桩的荷载分担比分别取桩顶轴力和值与上部施加荷载之比。由于褥垫层的存在，桩间土在加载初期就发挥作用，桩的承载力及其在复合地基中的作用需要荷载达到一定级别后才逐渐发挥出来。

2.1 桩间距的影响

图2是三种桩间距情况下荷载分担比随竖向荷载的变化曲线。在加载初期，垫层协调桩间土发挥作用，桩间土的荷载分担比随荷载增大而增大，此时长桩的作用略有下降，长桩的荷载分担比随荷载增大而减小。继续加载后，桩比土具有更大的沉降趋势，长桩的作用逐渐发挥，长桩的荷载分担比随荷载增大而增大，桩间土的荷载分担比随荷载增大而减小。三组试验中短桩的荷载分担比曲线较平缓。

桩间距4d（d为桩径)时，至加载终止荷载分担比变化为：长桩增加了13.87%，桩间土减小了12.2%，短桩减小了1.67%；桩间距2d时，至加载终止荷载分担比变化为：长桩增加了1.8%，桩间土增加了0.09%，短桩减小了1.89%，变化均较小。

结合三组结果可见，桩间距由4d减小到2d，长桩和短桩的荷载分担比均增大，桩间土的荷载分担比减小；桩间距减小后，长桩、短桩、桩间土的荷载分担比曲线较平缓，长桩在加载初期就承担了较大的荷载，桩间土承担荷载明显下降，因此过小的桩间距不利于桩土的协调作用。

图2 不同桩间距的荷载分担比

2.2 垫层厚度的影响

图3 不同垫层厚度的荷载分担比

图3是无垫层、2cm垫层、5cm垫层情况下荷载分担比随竖向荷载的变化曲线。无垫层加载初期长桩和桩间土荷载分担比接近，竖向荷载20kN之后长桩和桩间土荷载分担比差距逐渐增大，长桩在整个荷载分担比中起主导作用，加载至40kN后荷载分担比曲线变化较缓；2cm垫层时其荷载分担比的变化规律同无垫层时较为相似，但与无垫层时相比，长桩的作用有所下降，桩间土的作用有所上升，短桩荷载分担比稍有增加；5cm垫层加载初期，由于褥垫层的存在外荷载主要由桩间土承担，随后长桩受力增大，桩间土的作用下降，长桩荷载分担比增加，当加载至40kN时，两者的曲线变得缓和，并逐渐稳定。短桩荷载分担比较2cm垫层时有所减小。

无垫层时，至加载终止荷载分担比变化为：长桩增加了32.61%，桩间土减小了32.24%，短桩减小了0.37%；2cm垫层时，至加载终止荷载分担比变化为：长桩增加了16.16%，桩间土减小了10.63%，短桩减小了5.53%；5cm垫层时，至加载终止荷载分担比变化为：长桩增加了13.87%，桩间土减小了12.2%，短桩减小了1.67%。

结合三组结果可见，无垫层时长桩和桩间土荷载分担比差距较大，铺设垫层后荷载分担比曲线相对平缓；长桩的荷载分担比随垫层厚度的增加而减小，桩间土的荷载分担比随垫层厚度的增加而增大，短桩的荷载分担比较无垫层时大，但随垫层厚度增加而减小，其整体波动幅度较小，受影响最小。

2.3 长桩长度的影响

图4是不同长桩桩长情况下荷载分担比随竖向荷载的变化曲线。加载初期，桩间土承担的荷载大于长桩承担的荷载。随荷载增加，桩间土的荷载分担比逐渐减小，长桩的荷载分担比逐渐增大。整个加载过程中，三组试验短桩的荷载分担比曲线较平缓。

图4 不同长桩长度的荷载分担比

20cm长桩时，随荷载增加荷载分担比变化为：长桩由34.08%增大到49.73%，桩间土由58.84%减小到43.07%，短桩维持在6.34%～7.56%之间；60cm长桩时，随荷载增加荷载分担比变化为：长桩由44.24%增大到58.11%，桩间土由48%减小到35.8%，短桩维持在6.03%～7.25%之间。

结合三组结果可见，长桩长度由20cm增加到60cm，长桩的荷载分担比增大，桩间土的荷载分担比减小，短桩的荷载分担比略有减小，但变化不大；20cm长桩时长桩和土荷载分担比曲线相交于第六级荷载，30cm长桩时长桩和土荷载分担比曲线相交于第五级荷载，60cm长桩时长桩和土荷载分担比曲线相交于第三级荷载，这说明增加长桩长度使得长桩能较早地发挥承载力。

2.4 短桩长度的影响

图5是不同短桩桩长情况下荷载分担比随竖向荷载的变化曲线，两组结果曲线的形态很接近。加载初期，垫层的存在使得桩间土首先发挥承载力。随荷载增加，长桩的承载力逐渐发挥并不断上升，桩间土分担的荷载逐渐减小。整个加载过程中，三组试验短桩的荷载分担比曲线较平缓。

图5 不同短桩长度的荷载分担比

20cm短桩时，随荷载增加荷载分担比变化为：长桩由45.24%增大到59.8%，桩间土由47.06%减小到34.57%，短桩维持在5.48%～6.9%之间；60cm短桩时，随荷载增加荷载分担比变化为：长桩由40.47%增大到56.79%，桩间土由51.6%减小到36.5%，短桩维持在7.47%～8.4%之间。

结合三组结果可见，短桩长度由20cm增加到60cm，短桩荷载分担比有所增加，长桩荷载分担比有所减小，桩间土荷载分担比有所增加，但变化均较小，短桩长度对荷载分担比的影响较小；20cm短桩时长桩和桩间土荷载分担比曲线交叉点较60cm短桩出现的早，说明较短的短桩长度情况下长桩承载力发挥更早。

2.5 长桩模量的影响

图6是不同长桩模量情况下荷载分担比随竖向荷载的变化曲线，三组结果曲线的形态相差较大。长桩模量800MPa和3000MPa时，随着荷载增加长桩荷载分担比逐渐增大，桩间土荷载分担比逐渐减小，两者曲线未相交；长桩模量70000MPa时，加载初期，桩间土承担的荷载大于长桩承担的荷载。随荷载增加，桩间土的荷载分担比逐渐减小，长桩的荷载分担比逐渐增大，两者相交于第三级荷载。整个加载过程中，两组试验短桩的荷载分担比曲线较平缓。

图6 不同长桩模量的荷载分担比

长桩模量800MPa时，随荷载增加荷载分担比变化为：长桩由10.4%增大到25.8%，桩间土由83.39%减 小 到 68.36%，短 桩 维 持 在 5.84% ～7.19%；长桩模量3000MPa时，随荷载增加荷载分担比变化为：长桩由22.43%增大到39.97%，桩间土由71.26%减小到54.09%，短桩维持在5.94%～7.33%；长桩模量70000MPa时，随荷载增加荷载分担比变化为：长桩由44.24%增大到58.11%，桩间土由48%减小到35.8%，短桩维持在6.03%～7.25%之间。

结合三组结果可见，长桩模量由800MPa增大到70000MPa，长桩的荷载分担比明显增大，桩间土的荷载分担比明显减小，短桩的荷载分担比变化很小。长桩模量变化对复合地基荷载分担比的影响较大。

2.6 短桩模量的影响

图7是不同短桩模量情况下荷载分担比随竖向荷载的变化的曲线，三组结果曲线的形态较为相似。加载初期，桩间土承担的荷载大于长桩承担的荷载。随荷载增加，桩间土的荷载分担比逐渐减小，长桩的荷载分担比逐渐增大。整个加载过程中，三组试验短桩的荷载分担比曲线较平缓。

图7 不同短桩模量的荷载分担比

短桩模量800MPa时，至加载终止荷载分担比变化为：长桩增加了13.87%，桩间土减小了12.2%，短桩维持在6.03%～7.25%之间；短桩模量3000MPa时，长桩增加了11.19%，桩间土减小了9.97%，短桩维持在7.47%～8.98%之间；短桩模量70000MPa时，长桩增加了6.13%，桩间土减小了4.41%，短桩维持在9.17%～11.77%之间。

结合三组结果可见，短桩模量由800MPa增大到70000MPa，长桩的荷载分担比减小，桩间土和短桩荷载的分担比均增大。短桩模量对复合地基荷载分担比的影响不大。

2.7 各参数对荷载分担比影响的对比分析

上文分析了各参数在荷载增加过程中，桩、土的荷载分担比变化情况。

表3列出了最后一级荷载作用下，在对照组试验的基础上，改变各个参数分别对应的荷载分担比。

表3 最后一级荷载下荷载分担比

由表可知，短桩做为一种地基处理和提高加固区浅层承载力的措施，其荷载分担比基本在6%～9%范围内，变化不大。改变各参数的大小，主要是长桩和桩间土的荷载分担比发生消长变化。桩间距由2d增加到4d，长桩荷载分担比减小5.9%；垫层厚度由0cm增加到5cm，长桩荷载分担比减小23.7%；长桩长度由20cm增加到60cm，长桩荷载分担比增加8.4%；短桩长度由20cm增加到60 cm，长桩荷载分担比减小3%；长桩模量由800MPa增加到70000MPa，长桩荷载分担比增加32.1%；短桩模量由800MPa增加到70000MPa，长桩荷载分担比减小8.9%。

分析可知，在本试验条件下，通过减小桩间距来提高长桩荷载分担比是不经济的，垫层的设置能明显改善桩、土荷载分担的分配，增加长桩长度能一定程度提高长桩荷载分担比，增加短桩长度对荷载分担比影响不大，增加长桩模量能显著提高长桩荷载分担比，增加短桩模量对荷载分担比分配有一定影响。

3 结论

1)随桩间距的减小，长桩和短桩的荷载分担比均增大，桩间土的荷载分担比减小，过小的桩间距不利于桩土的协调作用。

2)无垫层时长桩承担了绝大部分荷载。铺设垫层后，长桩的荷载分担比明显减小，桩间土的荷载分担比明显增大，短桩的荷载分担比略有增大。随垫层厚度进一步增大，长桩的荷载分担比减小，桩间土的荷载分担比增大，短桩的荷载分担比变化较小。

3)随长桩长度的增加，长桩的荷载分担比增大，桩间土的荷载分担比减小，短桩的荷载分担比略有减小，但变化不大。增加长桩长度使得长桩能较早的发挥承载力。

4)随短桩长度的增加，短桩的荷载分担比有所增加，长桩的荷载分担比有所减小，桩间土的荷载分担比有所增加，但变化均较小，短桩长度对荷载分担比的影响较小。较短的短桩长度情况下长桩承载力发挥更早。

5)随长桩模量的增大，长桩的荷载分担比明显增大，桩间土的荷载分担比明显减小，短桩的荷载分担比变化很小。

6)随短桩模量的增大，长桩的荷载分担比减小，桩间土和短桩的荷载分担比均增大。

7)通过减小桩间距来提高长桩荷载分担比是不经济的，垫层的设置能明显改善桩、土荷载分担的分配，增加长桩长度能一定程度提高长桩荷载分担比，增加短桩长度对荷载分担比影响不大，增加长桩模量能显著提高长桩荷载分担比，增加短桩模量对荷载分担比分配有一定影响。

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