不同褥垫层厚度下大直径CFG桩复合地基桩土应力比试验研究

李扬波, 容 耀, 任志勇, 吴 波, 刘 聪, 梁 华

(1. 东华理工大学 土木与建筑工程学院,江西 南昌 330013; 2. 东华理工大学 江西省地质环境与地下空间工程研究中心,江西 南昌 330013; 3.湖南教建集团有限公司,湖南 长沙 410013; 4.江西省交通投资集团有限公司,江西 南昌 330003)

大直径CFG桩复合地基具有承载能力高、工期短、适应性广等优势,被广泛应用于房建、交通等领域的地基处理(Niu et al., 2018;刘志勇,2018;黄强兵等,2020)。国内外学者对大直径桩复合地基的力学特性开展了研究,汤益敏(2013)发现CFG桩桩径越大,桩土应力比越小,指出桩径是复合地基设计时要考虑的关键因素;李海生(2016)利用Plaxis分析大直径混凝土桩复合地基桩土荷载分配规律;徐新星等(2018)利用Abaqus分析了不同桩长的素混凝土桩和大直径水泥土搅拌桩组合成的多桩型复合地基桩土应力比影响规律;Bai等(2020)研究了大直径桩的力学传递特性以及承载力影响因素。由此可知,桩土荷载分担规律是大直径桩复合地基研究的关键问题之一,桩土应力比是反映桩土荷载分担规律的主要参数。

在褥垫层协调作用下,CFG桩与桩间土共同承受上部结构荷载(任鹏等,2008;李国胜,2019)。亓乐等(2009)指出褥垫层厚度的设计是复合地基承载力能否全部发挥的关键因素;段晓沛等(2010)通过褥垫层模型试验研究得出合理的褥垫层厚度对桩土之间受力协调起着关键作用;刘鹏等(2015)采用现场试验和数值模拟分析了褥垫层厚度和模量对刚性桩复合地基桩土应力比的影响;Zheng等(2008)利用Ansys研究了不同影响因素对桩土应力比的影响,指出桩土应力比受褥垫层厚度影响最为显著。因此,褥垫层厚度是CFG桩复合地基中桩土应力比最重要的影响因素之一。

目前,CFG桩复合地基的承载力通常采用《建筑地基处理技术规范》(国家住房和城乡建设部,2012)推荐的公式计算,由CFG桩承担主要荷载,不能充分发挥桩间土的承载能力。鉴于此,笔者基于相似关系开展大直径CFG桩复合地基模型试验,分析砂土地基中褥垫层厚度对大直径CFG桩复合地基桩土应力比的影响,提出能合理反映褥垫层厚度对桩土应力比影响规律的数学模型。研究大直径CFG桩复合地基的桩土荷载分担规律对于充分发挥CFG桩复合地基的承载能力具有重要意义。

1 模型试验

1.1 相似比设计

为研究大直径CFG桩复合地基在荷载作用下桩土应力比的变化规律,依据《建筑地基处理技术规范》(国家住房和城乡建设部,2012)设计本次模型试验基本参数,结合试验条件确定几何相似常数CL=15和弹性模量常数CE=1,并根据Buckingham相似定理进行推导换算;得到模型试验相关物理量之间的相似比关系,如表1所示。

表1 相似比关系表

1.2 试验模型箱

大直径CFG桩复合地基模型试验系统由大型模型箱、液压加载装置和自动测量采集装置等组成。试验模型箱长为2.5 m、宽为2 m、高为2 m,如图1所示。加载装置安装在模型箱顶部的可移动反力梁上,液压加载器行程为20 cm,最大可提供200 kN的加载力,加载精度为1%,加载过程通过杆端的压力传感器控制和记录。

图1 模型箱试验装置

1.3 试验材料及参数

试验采用砂土作为地基土,地基土颗粒级配曲线如图2所示,曲率系数为3.38,不均匀系数为4.43,干密度为1.89 g/cm3,含水率为4.28%,含水率与干密度关系如图3所示,比重为2.64,黏聚力为4.64 kPa,内摩擦角为22°,压缩模量为28 MPa。

图2 颗粒级配曲线

图3 干密度与含水率关系曲线

依照相似比设计,桩径(定义为d)取54 mm,桩长为1 m,桩间距为160 mm,梅花形布桩,桩身混凝土强度为C20。桩体配比(质量比)为:水泥∶粉煤灰∶中砂∶砾石∶水=1.00∶0.25∶2.50∶4.23∶0.73。成桩方式是通过在PVC管中灌入配制好的混凝土预制而成,拆模后养护28 d,模型桩如图4所示。

图4 试验模型桩

褥垫层是复合地基的主要构成部分,本次试验筛取粒径为2 mm左右砾砂作为褥垫层的材料,如图5所示。试验中压实系数为0.95,最大干密度为2.2 g/cm3,并在褥垫层表面放置边长为400 mm,厚为10 mm的正方形承载钢板。

图5 褥垫层材料

1.4 传感器测点布置

为获得桩土应力分担规律,本次试验布置CFG模型桩与土压力盒传感器如图6所示。共布设3个土压力盒传感器进行测量桩间土和桩顶的应力,传感器分别布设于桩顶中心以及两桩连线中心的桩间土表面上。使用数据采集仪完成土压力盒数据的采集,并连接到电脑进行记录和保存。

图6 CFG模型桩与土压力盒传感器布置示意图

1.5 试验方案

本次共开展3组模型试验,褥垫层厚度(定义为h)分别为20 mm、40 mm和60 mm。试验采用分层均匀填筑法进行制备,模型箱内土体夯实程度需保持一致,桩间土体和桩端底部土体的地基土承载力均控制在110 kPa左右。首先将配制好的砂土分层填入模型箱夯实整平,为避免人工分层,相邻层表面刮毛后再继续填筑。为保证桩身和桩底部土体的均匀性,每隔30 cm使用微型地基承载力测试仪测定土体的承载力。当土体填筑到CFG桩1/3桩长时,用水平尺对CFG桩的垂直度进行矫正。填筑完成后静置12 h,让填筑土体固结(雷练武等,2018)。加载方式采用慢速维持荷载法,加荷范围为0～32 kN,每级加载4 kN,共加载8级,每隔10 min读记一次试验数据,超过1 h后每隔15 min读记一次。

2 模型试验结果分析

2.1 褥垫层厚度对桩土应力比的影响

根据不同褥垫层厚度的桩顶应力与桩间土应力试验结果整理得到不同褥垫层厚度的桩土应力比曲线(图7),在相同褥垫层厚度下,随荷载增加,大直径CFG桩复合地基桩土应力比先快速上升后趋于稳定。褥垫层厚度为20 mm、40 mm、60 mm的桩土应力比变化范围分别为5.15～11.20,2.49～5.59,0.63～2.10。褥垫层厚度较小时,在加载的前期阶段桩土应力比整体增长速率较快。随着褥垫层厚度的增加,桩土应力比总体增速逐渐减缓。

图7 不同褥垫层厚度的桩土应力比曲线

桩顶应力和桩间土应力随着上部荷载增加均呈增加的趋势,但因桩土刚度差异显著,CFG桩桩顶应力比桩间土应力增幅更大,所以桩土应力比快速上升。继续增大加载,桩土应力比的增速减缓,这主要是因为褥垫层在荷载作用下补充到刚度相对较小的桩间土,褥垫层逐渐压密,更多荷载转移到桩间土体,桩土应力比增速逐渐减缓。

根据桩土比应力曲线整理得到不同褥垫层厚度的桩土应力比拐点特征值(表2),不同褥垫层厚度的桩土应力比拐点对应荷载值不同,褥垫层厚度为20～40 mm,即厚度为0.37d～0.74d时,桩土应力比拐点特征值下降明显,说明褥垫层厚度会影响桩土共同作用状态,体现了褥垫层调节桩土应力的重要性。

表2 不同褥垫层厚度桩土应力比拐点特征值

2.2 褥垫层厚度对桩土荷载分担占比的影响

图8为不同褥垫层厚度下桩间土荷载分担占比,褥垫层厚度为20 mm、40 mm、60 mm的桩间土荷载分担占比范围分别为47.60%～66.39%、64.55%～80.34%、82.89%～94.10%。桩间土荷载分担占比随荷载增大而降低,当褥垫层厚度为0.37d～0.74d时,适当增加褥垫层厚度可以明显改善桩间土荷载分担能力。荷载较小时,桩间土分担了大部分荷载,这主要是因为桩间土承载面积比桩体的承载面积大,因而桩间土可分担更多的荷载,与谭立(2015)研究结论一致。由于桩体刚度更大,桩体荷载分担占比随荷载增加逐渐增强,褥垫层协调变形,桩土荷载分担占比趋于稳定。

图8 不同褥垫层厚度下桩间土荷载分担占比

图9为不同褥垫层厚度下桩荷载分担占比,随褥垫层厚度增加,桩体荷载分担占比与加荷初期相比分别增加了18.80%、15.79%、11.30%,可以发现褥垫层厚度具有协调桩荷载分担的能力,但同时褥垫层也存在一个合理的厚度。褥垫层过薄,其协调能力有限,桩间土承载力不能得到充分利用,桩土之间承担的荷载未能协调分配,对复合地基承载能力提高不显著。褥垫层过厚,荷载在褥垫层中发生应力扩散,会使大直径CFG桩体荷载分担过小,荷载分担占比变化范围为6%～20%,未能充分利用大直径CFG桩体高承载力的特点,造成经济效益低。

图9 不同褥垫层厚度下桩荷载分担占比

结合本次试验结果分析得知,大直径CFG桩复合地基桩土应力比为5.4～11.2,褥垫层厚度范围在0.37d～0.74d对桩土应力比的调节效果明显,褥垫层厚度取值范围略大于现有规范(国家住房和城乡建设部,2012)给出的0.4d～0.6d参考值。

3 桩土应力比经验公式

桩土应力比经验公式是指基于多组试验数据分析,建立可以描述桩土应力比与影响因素指标之间关系的数学公式。比如:姜文雨等(2018)基于桩侧摩阻力线性分布假设推导出桩土应力比计算公式;尚琴琴(2007)从极限平衡理论角度推导垫层参数对桩土应力分担占比的控制公式。目前这些桩土应力比计算公式存在参数多而计算烦琐的问题,不便于推广应用。

基于模型试验结果分析得知,当褥垫层厚度一定,荷载较小时,桩土应力比增速快,随着荷载不断增加,桩土应力比增速逐渐减缓至趋于稳定的状态。即在褥垫层厚度一定情况下,桩土应力比曲线斜率随荷载变化总体呈现先大后小的规律,存在明显的非线性关系;随着褥垫层厚度的增加,桩土应力比的整体增速逐渐减小。因此笔者拟合出一个考虑褥垫层厚度的桩土应力比经验公式:

n=a(1-e-bx)cH

(1)

式中,n为桩土应力比,H为褥垫层厚度与桩径的比值(表3),x为归一化的荷载值,a、b、c为拟合参数。

表3 褥垫层与桩径比值参数

图10为经验公式计算值与模型试验对比结果,笔者提出考虑褥垫层厚度的桩土应力比经验公式与试验结果较为吻合,能够体现桩土应力比随荷载增加先快速上升后增速减缓的规律,可以反映随褥垫层增加桩土应力比下降的特征。经验公式能合理体现桩土应力比随荷载和褥垫层厚度变化的特性。

图10 试验数据与模型曲线对比

4 结论

(1)褥垫层厚度对大直径CFG桩复合地基影响显著。褥垫层厚度一定时,桩土应力比随荷载增大先快速上升后趋于稳定;随褥垫层厚度增大,桩土应力比逐渐减小。

(2)在加载初期,桩间土承载面积比桩体的大,桩间土承担大部分荷载,但由于桩土刚度差异显著,随着荷载增加,大直径CFG桩承担荷载能力逐渐发挥,桩体荷载分担占比快速增加,桩土应力比上升。

(3)褥垫层厚度对桩土应力分配起着重要作用。褥垫层厚度过薄不利于桩间土承载能力的发挥,褥垫层过厚不利于桩体承载能力的发挥。砂土地基中,当桩土应力比为5.4～11.2,褥垫层厚度合理取值范围为0.37d～0.74d,略大于现有规范的0.4d～0.6d参考值。

(4)基于不同褥垫层厚度下桩土应力比曲线特征,提出了能反映褥垫层厚度的桩土应力比经验公式,可为大直径CFG桩复合地基设计时提供参考。