刚性组合桩复合地基沉降特性的试验研究

张丽华,蔡景珞,叶泽川,张昌进,刘海波

(华北科技学院建筑工程学院,河北 三河 101601)

刚性组合桩复合地基沉降特性的试验研究

张丽华,蔡景珞,叶泽川,张昌进,刘海波

(华北科技学院建筑工程学院,河北 三河 101601)

为了进一步探索刚性组合桩复合地基的沉降规律，设计了模型试验加载系统及实验箱，进行了十二组刚性组合桩复合地基试验研究，分别在长短桩共同加区、短桩与下卧层交接面、仅有长桩加固区、长桩与下卧层交接面埋设了沉降标，测得了长短桩组合的复合地基在不同深度处随桩长、桩径、桩距变化的沉降规律，分析了长短桩共同加固区、仅有长桩的加固区、长短桩与下卧层交接处、同一深度处不同影响因素沉降特征及同一影响因素不同深度处的沉降特征。试验结果表明：长桩桩长主控效果显著，长桩桩长、桩径、桩距对沉降影响在长短桩共同加回区表现更为突出，在仅有长桩加固区各影响因素对沉降影响差异不大。

复合地基；刚性组合桩；试验研究；沉降规律

高层及超高层建筑发展，使得在复合地基处理设计中，地基变形控制这一设计目标越来越重要。在复合地基中组合桩复合地基处理技术的工程应用，地基处理的沉降计算及相关问题还没有很好地解决[1-2]，尤其是长短组合桩复合地基沉降计算及理论研究，还滞后于工程实际的应用。组合桩处理的复合地基工程实测沉降值与现行理论计算值之间还存在较大差异[3-4]。为此，本文对长短组合的刚性桩复合地基沿深度方向沉降变化规律进行了试验研究，力求更进一步探索总沉降规律、长短桩加固区、长桩单独加固区的沉降性状，为组合桩复合地基沉降理论及计算研究提供一些借鉴。

1 试验研究

1.1 试验系统及试验方案设计

设计土工试验箱及加载系统，岩土试验箱尺寸设计长×宽×高：3000mm×1600mm×2000mm，框架采用L80×8的角钢焊接成，正面采用钢化玻璃，一侧面采用三块厚度8mm可拆卸的钢板，底板采用厚度16mm的钢板，在加载过程中试验箱自身最大变形量不大于1mm。针对不同桩径、桩距、桩长设计了多组试验，分别对组合桩复合地基沉降规律、桩间土应力规律、桩身应力规律，以及桩土相互作用规律进行了研究。

加载装置采用手动液压千斤顶作为动力单元。滚珠丝杠传动机构采用活塞杆全封闭处理，压桩速度连续可调，并可进行静压，最大静荷载50kN，工作行程1000mm。加载点可在加载框架平面内任意移动，可实现在任意位置进行实验。同时配有调平装置、导向装置，保证桩体在实验过程不发生倾斜，从而获得较好的实验效果。加载装置具有位移控制、速度控制等多种控制模式，可根据需要进行多种形式的实验。

数据采集系统采用静态数据采集仪，在加载过程中，自动实时采集应变片和应力盒的数据，每秒采集30次。

试验研究共4类12组，如表1所示，第一类对人工重塑的“天然地基”进行承载力及沉降试验，以便对比。试验用土取自华北科技学院教学楼基础施工开挖土，采用上下均匀一致的土层，干密度为1.52g/cm3,含水率6.8%，液限为17.97%,塑限15.58%。垫层采用3cm厚的粒径过5mm筛碎砂石。第二类选择3.5cm 直径的素混凝土桩组成群桩(5长4短)，通过改变桩身长度(桩的长细比)，短桩长度不变，长桩变换长度，分别为60cm、55cm、50cm，开展三组试验。第三类通过改变桩的直径，选择4.5cm(5.5cm)直径的素混凝土桩组成群桩(5长4短)，短桩长度不变，变换长桩长度，分别为60cm、55cm、50cm，开展三组试验。第四类通过改变桩距，桩距由3D增加至4D，选择3.5cm直径的素混凝土桩组成群桩(5长4短)开展试验。

1.2 沉降标设置及沉降观测

为了研究地基不同深度变形大小，制作了若干沉降标埋置于相应土层。桩的布置及沉降标埋设见图1，实验时，除安放百分表观测沉降数据外，还在沉降标和加载板四角贴上标尺，在试验箱3m外布置两台S1级水准仪，同时测量加载板的沉降。

表1 实验参数

图1 沉降标布置图

2 试验结果及分析

2.1 桩长变化对沉降的影响

在组合桩复合地基中，长桩为主控桩，它能够将荷载传递到地基深处承载力良好的持力层，从而减小土层压缩变形，达到提高地基承载力、减小沉降量的目的。短桩虽然也有相同的作用，但在软弱地基沉降变形的控制上，长桩显然起到更大的作用。并且在地基设计中，长桩长度的选择也直接影响着地基的安全和成本。所以试验研究长桩长度变化对于地基沉降变形的影响。

本文选取了五组试验，长桩长度从450mm到650mm，短桩长度均为300mm不变，桩径、桩距、桩身模量、荷载等其他条件一致。重点进行长短桩共同加固区，加密短桩桩底的沉降标的布置。

从图2～8可以看出，沿地基深度方向，随着桩长增大，复合地基沉降量减小，说明增加长桩长度对于控制复合地基沉降变形有显著的效果。尤其是长短桩共同加固区，长桩桩长变化对沉降影响显著。仅有长桩的加固区，随深度增大随桩长变化沉沉量减少幅度相差不大。

2.2 桩径变化对沉降影响

桩径的选择同样是地基设计时需要重点考虑的问题，不仅要考虑成本和沉降变形控制，还要考虑施工条件地质条件等因素。

本文进行35mm、45mm、 55mm三组试验研究， 55mm这一组数据通过数值模拟而得。其中三组试验除桩径变化外，桩长、桩距、桩身模量、垫层等条件均保持一致。从图9～13各个深度处的三组沉降数据对比分析我们可以看出随桩径增大沉降量减小。35mm这组试验的沉降量从桩顶到45cm深度每一处的沉降量均大于45mm这组试验，从图11可以看出,复合地基不同深度处沉降量随桩径增大而收敛。沉降量在加固区范围内随深度增加而减小，但是其衰减量的差异性不大。

2.3 桩距对地基沉降影响的分析

探讨桩间距对组合桩复合地基沉降变形的影响。通常，实际工程中若考虑到沉降控制，桩间距一般为4D～6D，当桩间距大于6D时则可以不考虑群桩效应[5]。桩间距的大小，不仅影响到工程的成本，也影响施工的难易程度，更加影响到复合地基沉降变形的大小。主要选取两组试验(桩净距分别为3D和4D)，来进行对比分析。从图14～19可以看出，复合地基沉降量随着桩间距增大而增大。其主要原因在于桩间距增大，从而导致单桩需要加固的范围增大。从沉降计算上来考虑，由于地基置换率降低，其加固区的复合模量降低，从而导致沉降变形增大。

图2 荷载板沉降曲线

图3 桩顶下15cm处沉降曲线

图4 桩顶下30cm处沉降曲线

图5 桩顶下45cm处沉降曲线

图6 桩顶下60cm处沉降曲线

图7 桩顶下不同位置处沉降随桩长变化曲线

图8 不同桩长沉降沿深度变化曲线

图9 荷载板沉降曲线图

图10 桩顶下15cm处沉降曲线

图11 桩顶下45cm处沉降曲线

图12 桩顶下不同深度处沉降随桩径变化曲线

图13 不同桩径沉降量沿深度变化曲线

图14 荷载板沉降曲线

图15 桩顶下15cm处沉降曲线

图16 桩顶下30cm处沉降曲线

图17 桩顶下45cm处沉降曲线

图18 桩顶下60cm处沉降曲线

图19 不同桩距沉降沿深度变化曲线

3 结论

1)桩长对沉降的影响，增加长桩长度，对组合桩复合地基沉降有显著的控制效果，沿地基深度方向，随着桩长增大，复合地基沉降量减小，尤其是长短桩共同加固区，长桩桩长变化对沉降影响更为突出。仅有长桩的加固区，随深度增大因桩长变化沉降量减少幅度相差不大。

2)组合桩复合地基不同深度处沉降量随桩径增大而减少，衰减量差异不大。在长短桩共同加固区范围内，沉降沿深度方向，沉降量衰减较快；在短桩桩端与地基交接平面处，地基沉降随桩径变化，沉降量变化梯度较小。

3)复合地基沉降随桩间距增大而增大, 沉降量沿深度方向逐渐衰减，在长短桩共同加固区衰减较快，在仅有长桩的加固区沉降衰减差异不大。

[1] 池跃军，宋二祥，陈肇元.刚性桩复合地基沉降计算方法的探讨及应用[J].土木工程学报,2003，36(11)：19-23.

[2] 杨光华，范泽，姜燕，等.刚性桩复合地基沉降计算的简化方法[J].岩土力学,2015，36(S1)：76-84.

[3] 张钦喜，潘旭亮，陈鹏，等.CFG桩复合地基沉降计算方法[J].北京工业大学学报,2012，38(6)：835-839.

[4] 王叫瑾，谢新宇，方鹏飞，等.刚性长短桩组合桩的非线性沉降计算分析[J].浙江大学学报:工学版,2014,38(3):463-470.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部，建筑地基处理技术规范(JGJ79-2012)[S].2012.

Experimental study on settlement characteristics of rigid pile composite foundation

ZHANG Lihua, CAI Jingluo, YE Zechuan, ZHANG Changjin, LIU Haibo

(School of Civil Engineering，North China Institute of Science and Technology， Sanhe 065201，China)

In order to further explore the settlement regularity of rigid composite pile composite foundation. Experiment on 12 groups of rigid combined-pile composite foundations are studied based on the designed model test loading system and experimental box. Settlement standard are embedded in the long-short piles combined reinforced area, the interface between short pile and subsoil, long pile reinforced area and the interface between pong pile and substratum. The settlement law of long-short pile combined composite foundation with different pile-length, pile-diameter and pile-spacing of is measured at different depths. In addition, the settlement characteristics of different influencing factors at the same depth and different depths for the same factors are analyzed in the long-short piles combined reinforced area, the interface between short pile and subsoil, long pile reinforced area and the interface between pong pile and substratum. It can be concluded that, the main control effect of the square pile length is remarkable. Effect of pile length, pile diameter and pile spacing on the settlement is more obvious in the long-short piles combined reinforced area. However, there are no significant differences in the influence of parameters above mentioned on the settlement of long pile reinforced area.

composite foundation; rigid composite pile; experimental study; settlement regularity

2016-06-20

TU433

A

1004-4051(2016)12-0128-04