考虑下卧层特性的复合地基荷载传递规律模型试验研究

亓 乐，刘 薇，孙长帅，张 勇

（1. 山东电力工程咨询院有限公司，济南 210013；2. 山东省水文水资源勘测局，济南 210013）

1 前 言

我国地域辽阔，地基条件复杂，软弱地基类别多、分布广，特别是沿海和内陆广泛分布着海相沉积、湖相沉积和河相沉积的软弱黏土层，这类软土具有强度低、含水率高、灵敏度高、渗透性差、高压缩性、厚度不均等特点。在这类软土地基上进行建设，建筑物在荷载作用下会产生较大的沉降与不均匀沉降，沉降持续时间长，会影响到建筑物的正常使用，在此类地基上进行工程建设必须进行软基处理。复合地基技术在土木工程建设中已经得到了广泛的应用[1]，如何在保证工程质量的前提下节省工程投资十分重要。由于复合地基技术充分利用了天然地基和增强体共同承担荷载的潜能，与其他基础相比具有比较经济的特点[2－4]。

带有软弱下卧层的复合地基荷载传递机制不同于常规的复合地基，由此也有不同的设计分析方法。目前针对下卧层的复合地基少有研究，关于存在软弱下卧层的室内模型试验更少，为了弄清其作用机制，并确定可靠的设计理论和方法，笔者进行了室内静态模型试验，着重讨论复合地基中桩身轴力、桩侧摩阻力和荷载分担比的分布及发展过程[5－7]。

2 室内模型试验

2.1 试验模型

试验采用河海大学自主研制的室内沉降模型试验设备[8]。试验仪器主要由试验模型桶、加载系统、观测系统以及荷载量测系统组成，试验装置如图1所示。

图1 试验装置图Fig.1 Device of the model tests

仪器主体为一透明有机玻璃桶，桶壁厚2.0 cm，桶内径为50 cm，桶体净高110 cm，其中桶体上下都采用钢箍加固，可保证试验过程中安全性及密封性。模型试验采用有机玻璃桶作为模型试验槽，荷载板的直径等于桶体内径，由于桶壁的限制作用，加载情况可以模拟群桩的加载。荷载通过位于四个方向的4组静滑轮与动滑轮结合加荷，荷载在0～400 kPa范围内变化。试验桶内沉降观测分两部分，内部各层沉降观测主要通过内部设置的标志物结合试验桶壁上贴着的标尺进行读数，而试样顶部读数则通过穿过固定于支架上滑轮的细钢丝拉动游标卡尺垂直上下进行读数，游标卡尺精度可达0.01 cm。

试验用桩采用硬质PP-R(无规共聚聚丙)管，试验时将两端用木塞塞紧，由于使用方便，易于购买，且强度满足试验要求，已有大量学者采用作为试验用桩。在桩体的侧面贴2组应变片(10片)，量测得到桩体的压缩量。

2.2 试验方法

为研究复合地基中桩、土间相互作用的规律，进行了多组模型试验，通过不同工况的模型试验获得桩侧摩阻力、桩轴力、桩土荷载承担等规律。影响复合地基荷载传递的因素较多，如桩体性质、土体性质、桩-桩和桩-土的相互作用、垫层性质（厚度、材料、模量）、下卧层性质（厚度、材料、模量）、下卧层和加固区土体模量的相对关系等。以上因素较难在试验中全部反映，本文只考虑复合地基设计中常用且在室内试验中容易实现的因素，如桩径、垫层厚度、下卧层厚度等。

竖向荷载通过放置砝码施加到荷载板上，试验共进行10级加载，每级荷载加载量均为9.65 kPa(188.8 kg)。根据桩径、垫层厚度和下卧层厚度的不同，试验共分10组，见表1。

表1 模型试验分组情况Table1 Groups of the model tests

2.4 试验桩、土材料及参数

2.4.1 模型桩及其参数

由于2根模型桩的模量相对于试验土体的模量比较大，可达到30倍以上，且2根桩的模量差仅为12.7 MPa (约为桩体模量的10%)，试验中可近似认为2根桩的模量相同，模型桩的参数见表2。模型试验的相对比尺见表 3，从相对比尺来看，模型试验的设计与现场的复合地基比尺基本吻合。

表2 模型桩参数Table2 Parameters of the test piles

表3 模型试验的相对比尺Table3 Relative scale of the model tests

2.4.2 桩周土及其参数

对于试验用土，原则上以黏性土为好，但考虑到黏土具有黏聚力，试验时难以保证其均质性，会使试验结果产生较大误差。砂土没有黏聚力，能很好地保证试验填土的均匀性，因此，结合国内外室内试验的经验，本试验采用砂土。试验前测得砂土的密度 ρ=1.33g/cm3，含水率w=2.7%，干密度ρd=1.3g/cm3，相对密度 Dr=0.12，砂土的内摩擦角φ=32◦。

3 试验结果分析

3.1 桩轴力分析

图2为不同桩径(置换率)情况下桩轴力随深度的变化曲线，由图2(a)既有垫层又存在下卧层的复合地基可见，桩径对桩轴力的影响不大；由图2(b)、图2(c)无垫层和无下卧层的复合地基可见，桩径越大，桩轴力越小，这表明在垫层和下卧层的调节下，增加桩径并不能使桩体提高桩轴力，只是由于桩截面积的增加，使得桩体承担荷载增大，对充分发挥桩的承载能力并无太大的提高，在实际工程中，靠增大桩径来提高桩体承载能力的发挥是不经济的。

图2 不同桩径(置换率)对桩轴力的影响Fig.2 Curves of axial forces varying with pile diameter(replacement ratio)

图3为不同垫层厚度情况下桩轴力随深度的变化曲线。由图可见，垫层厚度越小，桩轴力越大。这是因为垫层具有流动调节作用，使得土体承担更多荷载，垫层厚度越大，调节能力越强，土体承担的荷载越大，桩轴力也因此越小。在实际工程中，可以通过调整垫层厚度来合理发挥桩土的承载能力。图4为不同下卧层厚度情况下桩轴力随深度的变化曲线。由图可见，与图3类似的规律，下卧层厚度越小，桩轴力越大，这是因为下卧层的厚度越小，对于桩体沉降的限制作用就会越大，会使桩体承担更多的荷载，加大了桩体的轴力。

图3 不同垫层厚度对桩轴力的影响Fig.3 Curves of axial forces varying with cushion thickness

图4 不同下卧层厚度对桩轴力的影响Fig.4 Curves of axial forces varying with underlying layer thickness

3.2 桩土荷载分担分析

图5、6分别为不同桩径情况下桩顶处的桩土 应力比和桩体荷载承担比。由图5可以看出，桩径的变化对桩土应力比略有影响，桩径越大，应力比越小，应力比相差1左右。但是，从图6中可以看到，桩径的增大，对于桩体的荷载承担比影响不大。桩径增加了57.5%，桩截面积增加了148%，但是桩体的荷载承担比只增加了0.02左右，相应的桩承载力发挥度并无提高。因此，增加桩径(置换率)来提高桩体的承载力发挥度是不经济的，这与前文桩轴力的分析结果是吻合的。

图5 不同桩径(置换率)对应力比的影响Fig.5 Curves of stress ratio varying with pile diameter(replacement ratio)

图6 不同桩径(置换率)对桩体荷载承担比的影响Fig.6 Curves of pile load bearing ratio varying with pile diameter(replacement ratio)

图7为不同垫层厚度对桩土应力比的影响对比。由图可以看出，垫层厚度越大，桩土应力比越小，这表明垫层的流动调节作用，垫层的存在使桩体向垫层刺入，更多的荷载由桩周土承担，减小了桩土应力比。当不设垫层时，荷载施加的初期，桩体承担荷载较大，桩土应力比较大；随着荷载的增加，桩体逐渐向下卧层产生刺入，荷载也更多的由桩周土承担，桩土应力比逐渐趋于稳定，这体现出了下卧层的荷载调节作用。而复合地基设置垫层时，桩土应力比变化不大，基本保持稳定，垫层厚度越大这种现象越明显。这充分说明了垫层的流动调节作用，在荷载施加的初期，就开始调节荷载分布，使桩周土承担更多的荷载。

图7 不同垫层厚度对应力比的影响Fig.7 Curves of stress ratio varying with cushion thickness

图8为不同下卧层厚度对桩土应力比的影响对比。从图中可以看出，下卧层厚度越小，桩土应力比越大。这说明软弱下卧层厚度越小，对桩体向下刺入的限制作用越大，桩体就承担更多的荷载。当下卧层厚度为0时，桩体不会向下产生刺入，桩体承担的荷载达到最大。

图8 不同下卧层厚度对应力比的影响Fig.8 Curves of stress ratio varying with underlying layer thickness

图9为不同桩径情况下桩端处的桩土应力比。随着荷载的增加，应力比逐渐减小趋于稳定。与桩顶处应力比不同的是，桩径越大，桩端应力比越大。图 10为不同垫层厚度对桩端应力比的影响对比。图中可以看出，垫层厚度越大，桩端应力比越小。同桩顶处应力比的分析一样，这也再次说明了垫层的调节作用。图 11为不同下卧层厚度对桩端应力比的影响对比。由图可以看出，下卧层厚度越小，桩端应力比越大。产生这种现象的原因与桩顶处应力比相同，软弱下卧层厚度越小，对桩体向下刺入的限制作用越大，桩体就承担更多的荷载，应力比则越大。当下卧层厚度为0时，桩体不会向下产生刺入，桩体承担的荷载达到最大，应力比也会达到最大值。

图9 不同桩径(置换率)对桩端应力比的影响Fig.9 Curves of pile tip stress ratio varying with pile diameter(replacement ratio)

图10 不同垫层厚度对桩端应力比的影响Fig.10 Curves of pile tip stress ratio varying with cushion thickness

图11 不同下卧层厚度对桩端应力比的影响Fig.11 Curves of pile tip stress ratio varying with underlying layer thickness

3.3 桩侧摩阻力分析

桩侧摩阻力的试验数据是通过应变片的观测数据间接计算得来的。任取一桩体单元如图 12所示。根据静力平衡，桩侧摩阻力τ可通过式(1)求得。

式中：τ为桩侧摩阻力；Q为桩轴力；d为桩径。

图12 桩体单元示意图Fig.12 Sketch of the pile unit

图13为不同桩径(置换率)情况下桩侧摩阻力随深度的变化曲线，桩径分别为40 mm和63 mm。图中取了3组不同荷载下的摩阻力曲线，荷载分别为9.65、38.6、67.55 kPa。由图可以看出，荷载较小时，二者的摩阻力分布形式和大小基本相同，摩阻力沿深度先增大后减小。随着荷载的增大，桩侧摩阻力的分布形式产生了较大的差距。桩径较大(63 mm)的摩阻力随深度的增加而增大，而桩径较小(40 mm)的摩阻力分布形式和小荷载时的形式相似，随深度的增加到最大值后，又随深度增加而减小。这也说明了桩径的不同对复合地基桩体荷载传递特性有较大的影响。不同的桩径使桩体的长径比有所不同，小桩径的桩具有较大的长径比，荷载不能够传递到桩端，在一定深度摩阻力就变为 0。桩径大的桩较之桩径小的桩可看作是粗短桩，荷载能够传递到桩端。可以预见，如果增大大桩径桩的桩长，也会出现小桩径摩阻力的分布形式。因此，桩体的长径比是复合地基设计的一个重要指标。

图13 不同桩径(置换率)对桩侧摩阻力的影响Fig.13 Curves of skin friction varying with pile diameter(replacement ratio)

由于垫层的存在，桩体还出现了明显的负摩擦区。由图 13可以看出，增大桩径，会使中性点深度加大；增大荷载，使得中性点深度减小。

图14为不同垫层厚度情况下桩侧摩阻力随深度的变化曲线，垫层厚度分别为0、40 、80 mm。图中取了2组不同荷载下的摩阻力曲线，荷载分别是9.65 kPa和38.6 kPa。由图可以看出，垫层厚度越大，摩阻力越小，中性点深度越大。这是因为垫层具有流动调节作用，垫层厚度越大，调节能力越强，土体承担的荷载越大，桩周土体的沉降就会越大，桩体的沉降减小，因此中性点深度增大，摩阻力减小。

图14 不同垫层厚度对桩侧摩阻力的影响Fig.14 Curves of skin friction varying with cushion thickness

图15为不同下卧层厚度情况下摩阻力随深度的变化曲线，下卧层厚度分别为20 cm和30 cm，图中取了3组不同荷载下的摩阻力曲线，荷载分别是9.65、38.6、67.55 kPa。由图可以看出，下卧层厚度对于桩侧摩阻力分布的影响较大，下卧层厚度为30 mm的桩侧摩阻力随深度的增加而增大，而下卧层厚度为 20 mm的桩侧摩阻力随深度增加到最大值后，又随深度增加而减小。由此可见下卧层厚度的影响在复合地基设计中，一定要着重考虑。

图15 不同下卧层厚度对桩侧摩阻力的影响Fig.15 Curves of skin friction varying with underlying layer thickness

4 结 论

（1）复合地基和天然土的土体荷载传递特性非常不同，天然土中应力随深度的增加而逐渐减小，复合地基桩间土的应力先是随深度的增加而减小，当达到桩长深度后，应力又逐渐增大。亦说明复合地基中由于桩的存在，使得荷载向更深处传递。

（2）由于垫层的存在，桩轴力随深度的增大先增大后减小，表明桩体存在一段负摩擦区，桩轴力在负摩擦区沿深度增大，在中性点达到最大值；桩轴力随荷载的增大而增大；桩径的变化对桩轴力影响不大，垫层和下卧层的厚度越小，桩轴力越大。

（3）增大桩径，使桩顶应力比减小，桩端应力比增大，且桩体的荷载承担比有所提高；增大垫层和下卧层厚度，桩顶应力比和桩端应力比都会有所减小。

（4）具有垫层和下卧层的复合地基桩体存在一段负摩擦区，摩阻力随荷载的增大而增大，中性点深度随荷载的增大略有减小，桩径和下卧层厚度的不同，摩阻力的分布形式也有较大不同，增大垫层厚度，使摩阻力减小；增大桩径和垫层厚度，会使中性点深度加大，下卧层厚度对中性点深度影响不大。

复合地基设计中的影响因素非常多，本文限于试验条件，只考虑了较少几种工况的研究，以后的工作还需考虑更多的影响因素。

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