墙柱结合地基处理模型试验研究

李 伟，郭 嫚，单新宇，贾智博

(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168)

我国地域辽阔，地基条件复杂，软弱地基类别多，分布广泛，如何在保证工程质量的前提下节省工程投资是十分重要的。由于复合地基能够充分利用天然地基和增强体共同承担荷载的潜能，因此在土木工程建设中得到了广泛的应用，并取得了良好的社会效益和经济效益［1－5］。随着对复合地基理论和地基处理理论认识的提高以及实践经验的积累，近年来在国内外，有关新型复合地基与地基处理的技术日新月异，先后出现了长短桩复合地基［6－10］，筏板基础与地基改良相结合，筏板基础与摩擦桩相结合，深层地基改良等复合地基形式，薄垫层下凹式地基处理等新的地基处理方法。对于这方面的研究，许多学者已经做出了贡献，如:日本的竹内治谨、山本春行提出一种下凹式浅层地基改良与筏板基础并用的复合地基形式，并从理论及实际工程上对其有效性进行了分析与论证［11－13］。李伟和李峰等通过数值模拟对长短桩在均质软土中的沉降和超静水压力的分布进行了定性分析，从中得出可通过改变桩体的作用长短，对基础的固结沉降差和超静水压力分布进行了有效的控制［14－15］。本文在筏板基础或条形基础与下凹形地基改良相结合的新基础工法之上，结合桩—筏基础的特性，针对多层建筑物，重点研究一种新的复合地基形式——墙柱结合复合地基，如图1所示。墙柱结合复合地基，采用了在深度方向成梯形分布状态的圆柱形地基改良与筏板或条形基础相结合，并在筏板或条形基础下部加入浅层地基改良的复合地基，使得地基改良后的沉降分布趋势平缓，有效的控制沉降差和沉降总量，并且在地基边缘处采用墙式外围加深地基改良形式，从而提高了地基的水平抵抗能力。本文主要通过室内模型试验介绍了不同的桩体配置在外围墙式加固体的作用下对基础沉降分布的影响。介绍5种桩体的配置方式，进行了5组试验，得出了不同的桩体配置对地基沉降的影响以及通过改变桩体的高度解决地基的不均匀沉降，并找到了最佳的配置方案。

图1 墙柱结合复合地基

1 试验概况

1.1 试验设备

试验所用的仪器主要有:砂土、有机玻璃板、位移计、模型槽、传力架、油压千斤顶、数据采集系统。为了研究不同的墙柱结合模型对地基沉降的影响，试验在砂土中控制沉降特性。本次试验的柔性筏板采用有机玻璃板，在有机玻璃板上方安装位移计，以测得其沉降值。试验所采用的位移计为300 mm和200 mm，系数分别为0.02和0.01。模型槽是一个长3 m，宽1.5 m，高1.2 m由角钢和钢板连接而成的方形槽。试验所用的传力架是自行设计的如图2所示，图3为传力架实物图。传力架的材料采用45#钢，由数控机床精密加工而成，如图2、图3所示，传力架通过3级逐步分载，将最顶端的集中荷载最终分为八个等间距的相等线荷载，以近似分析均布荷载作用下地基的沉降分布特性。实验过程中，通过数据采集系统，采集最顶端的集中荷载和模拟筏板上设置的各点沉降量。

1.2 试验材料特性

1.2.1 砂土

为了有效模拟软土地基的环境，试验选用粒径在0.01 mm～1 mm之间的细砂来代替软土。砂土的最大干密度为1.80 g/cm3，最小干密度为1.57 g/cm，在人为控制装砂速度的情况下，砂土的密度为1.67 g/cm3，相对密实度 Dr约为 0.47。由直剪试验得，砂土摩擦角约为31°［16］。利用筛析法得到砂土的粒径情况，如表1所示。

图2 传力架设计图

图3 传力架实物图

表1 颗粒分析试验记录

1.2.2 墙式加固体与柱状加固体的制作

柱状加固体的制作:柱状加固体是由细砂与水泥按3∶1配比制作而成，直径为30 mm。将外径32 mm，内径30 mm的给水管(PVC－U)按桩的尺寸大小截好并将其从中间劈开，然后将劈开的给水管用螺栓扎实拧死，将事先拌好的水泥细砂混合料装入给水管里，用铁棒分层夯实，并需防止夯实过程中出现的材料分层断层问题。最后，将做好的模型桩放在封闭的塑料袋里养护一周，拆模，完成柱状加固体的制作。

墙式加固体的制作:墙式加固体也是由细砂与水泥按3∶1的配比制作而成，宽为30 mm，高为167 mm。首先，根据墙的尺寸，用木板拼接墙式加固体的模板，然后将搅拌均匀的细砂与水泥装入木制模板内，用工具夯实，抹平上部，最后对墙体养护一周，达到试验强度后，拆模，完成墙式加固体的制作。

1.2.3 模拟筏板

为了有效模拟垫层的作用，在沈阳建筑大学土木工程学院拉压试验室对有机玻璃板材料进行三点压弯试验，有机玻璃板材料的弹性模量约为2 318 MPa，根据模型试验的相似准则，最终确定尺寸为长700 mm、宽400 mm、厚10 mm的有机玻璃板作为试验用模拟筏板［16］。

1.3 试验实施

由于试验所用的传力装置的最大荷载为200 kN，模型槽的高度有限，所以最大的沉降量会受到一定的限制，从而不能进行完全加载。我们结合试验条件提出了五组试验方案，每组方案桩体布置方式不一样，桩的长度根据模型试验的数据按1∶30的比例缩放，桩长总和大概为1 200 mm，这就保证了桩体总长度的一致性，每组试验的桩长以及布置方式如图4所示。

图4 桩的布置方案示意图

首先，根据图4所示各方案，将养护好的墙式加 固体和柱状加固体设置到细砂模拟软土地基所设位置，并固定，如图5所示。设置过程中，要求保证墙体和柱状加固体的顶面在同一个平面上，最后填埋砂土，整个过程中保证墙体一直处于垂直状态。然后，在墙式加固体和柱状加固体上放置有机玻璃筏板，要求有机玻璃筏板的中心位置和千斤顶中心重合。最后如图3，设置传力架，并将5个位移计如图6所示，在机玻璃筏板的长边方向，按照175 mm等间距设置。模型试验采用液压式万能试验机进行分级加载，连续测定位移计读数，若试件沉降量小于0.01 mm，则进行下一级加载。当荷载加到一定数值，桩急剧下沉，以致无法读数或基础沉降值为前一级荷载的5倍或基础沉降为前一级荷载的2倍，且最后5 min的沉降超过1 mm，则终止试验。加载过程如图6所示。

图5 模型的埋置

图6 试验加载过程

2 结果分析

2.1 试验现象分析

随着竖向荷载的增加，地基沉降也在增加，试验现象较为明显，由于砂土地基承载力不高，在加载过程中模拟筏板周围砂土有鼓起现象，并有少许砂土流落到筏板上面，加载板也随之产生变形，位移计读数显示了中间沉降大，边缘沉降小的特性。

在试验加载完成后，卸载传力架和位移计等试验器材，以方案5的破坏形式为例，如图7所示，仔细观察，墙体倾斜，并且有的地方断裂了，桩体也只能看到桩顶。小心除去砂土，此时的墙式加固体和柱状加固体如图8、图9所示，墙式加固体沿长边方向在中间部位断裂，并在四角处也有不同程度的断裂，这是因为墙体内砂土发生挤土效应，对墙体的挤压应力主要在沿长边方向的中间部位和长边方向的四角处。对于图9桩的破坏，最长的桩在离桩顶大概1/3处断裂，中间长的桩的破坏较小，就有一个桩在桩顶处发生破坏，短桩几乎没有破坏。在布置桩体时，长桩都是布置在地基中间，这说明长桩承载较大荷载，中间长的桩也有破坏，说明其也承担了一部分承载力，短桩比较短，而且布置在外围，约束力小。这说明桩的长度对地基承载力有一定的影响，并且长桩承担主要荷载。

图7 方案5试验后破坏状况

图8 方案5墙式加固体的破坏

2.2 P－S曲线

首先，对700 mm×400 mm×10 mm的模拟筏板在均匀荷载作用下中心处的沉降值(Sc)与边缘处的沉降值(Se)进行研究分析，如图10所示，可以看出:两条曲线的形状相似，变化趋势也一致，整体曲线为缓变曲线，没有明显的转折点;随着竖向荷载的增加，地基沉降量也随之增大;在同一荷载下，中心处的沉降大于边缘处的沉降。为了更直观的观察筏板中心点和边缘点沉降形状，我们画出了地基在10 kN作用下沿着轴向方向沉降图，如图11，可以看出，曲线呈抛物线状，根据图上数据，中心沉降约为8.5 mm，边缘沉降约为5.8 mm，说明中心处的沉降量大于边缘处的沉降量。

图9 方案5柱状加固体的破坏

图10 筏板的P－S曲线

图11 10kN作用下筏板沉降曲线

2.3 墙柱加固体的P－S曲线

为了对比和分析不同桩体布置方式对地基沉降量的影响，观察和比较这五组试验的中心沉降和边缘沉降曲线，并分析产生这种现象的原因。由图12中心处沉降曲线可知:沉降量随着荷载的增加而变大;方案1沉降量最小，方案2、方案3、方案5曲线比较接近，方案5沉降一直比较均匀，沉降量也不是很大，方案4沉降量始终是最大的。对于方案1，当竖向荷载较小时，桩的长度对增加地基刚度和提高地基承载力作用显著，但当荷载过大，桩体会瞬间破坏，地基的沉降量迅速增大，最终地基失稳破坏。方案2与方案3相比，两条曲线比较接近，但是，在同一荷载作用下，方案2的沉降量大于方案3，这是由于方案3采用的是长短桩布置方式，长短桩复合地基承载力高于短桩复合地基的承载力，且在沉降方面也很大的优势;方案3与方案5对比，方案5沉降均匀且沉降量小，这是因为方案5在两肋处增加4根桩，桩与砂土之间的挤土效应使地基的刚度重新分布，不仅增加了地基的刚度还使整个地基的刚度分配比较均匀。对于方案4，在两肋处增加了两个桩，墙体内桩与砂土之间的挤土效应，使两肋处承担了较大的荷载，中间处承载力下降，地基的沉降量也增加了。从中心处沉降考虑，方案5的柱状加固体布设方案是在五种方案中是效果最好的。

由图13边缘处沉降可知:开始时，五种方案的沉降量比较接近，随着荷载的增加，对于方案1，沉降量很小，当荷载达到80 kN时，沉降量瞬间增大，最终沉降量和荷载都达到最大值，承载力有限，不能很好的控制地基的沉降差。其余方案，在同一荷载作用下，方案4沉降量最大，这是因为挤土效应使地基的刚度重新分布，边缘处桩又较短，所以，两肋承担了主要荷载，造成了边缘的沉降量较大;方案2、方案3曲线比较接近，但是方案3的沉降量小于方案2，这是因为采用长短桩布置方案，对提高边缘的承载力有一定的作用，能有效的控制地基的沉降差。方案5一直比较平缓，沉降量也不是很大，桩土之间的挤土效应增大了地基边缘处刚度，提高了地基的整体承载力。

图12 中心处沉降曲线

图13 边缘处沉降曲线

2.4 沉降分布特性分析

沿基础长边方向布设测量点，用位移计测得的沉降数据如图14～图16。

图14 30kN的沉降量

图15 60kN时的沉降量

图16 80kN沉降量分布

由图14～图16可知:方案4沉降量一直偏大，曲线转折较明显，并且中心沉降量和边缘沉降量都大于两肋处沉降，也说明了桩土之间的挤土效应使地基刚度重新分布，两肋承担主要荷载，减轻了中间和两边桩的荷载分担比，使其产生较大的沉降。在荷载为30 kN、60 kN 时，方案1、方案2、方案3、方案5沉降量相当，并且比较均匀，当荷载为80 kN时，四种方案的沉降量出现明显差别，方案5沉降量最小，很均匀，剩下三种方案，曲线有起伏，并且沉降量较大。所以方案5是这五种方案中最好的方案。

3 结论

(1)在无加固体配置的情况下，随着上部荷载的增加，地基沉降量也随着增大，并且中心处的沉降量大于边缘处的沉降量。

(2)在复合地基中，桩体位置配置和深度对地基承载力和地基沉降量及其分布影响显著;在等地基处理量条件下，长短桩复合地基承载力高于等长桩复合地基的承载力，且在沉降方面很大的优势;桩与砂土之间存在挤土效应，挤土应力会使墙体和桩体的应力重新分布，对地基承载力和沉降量影响较大。

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