复合地基桩体向垫层刺入量模型试验研究

亓 乐，王青松，曲 宁

（山东电力工程咨询院有限公司，济南 210013）

复合地基桩体向垫层刺入量模型试验研究

亓 乐，王青松，曲 宁

（山东电力工程咨询院有限公司，济南 210013）

桩体刺入垫层量的分析研究是复合地基沉降和荷载传递规律的一个重要组成部分，它将进一步完善复合地基沉降理论。然而目前对于桩体刺入量的研究不多。为了解具有垫层复合地基的作用机理、掌握桩土的荷载分担及桩体刺入垫层的规律，进行了不同工况的复合地基模型试验，得到了一系列有益的结论。试验结果对复合地基沉降研究提供了理论依据和数据支持，对其设计起到一定的指导作用。

复合地基；垫层；模型试验；刺入量；桩体

1 研究背景

近年来，复合地基技术在工程建设中得到了广泛应用［1］。在荷载作用下，增强体与地基土体共同承担上部结构的荷载是复合地基的本质。增强体和地基土体通过变形协调共同承担荷载作用是形成复合地基的基本条件。所以复合地基与桩基的主要区别在于桩基是由桩来承担和传递上部荷载，而复合地基是由桩和桩间土共同承担［2］。

当上部荷载施加于复合地基初期，大部分荷载通过垫层传向刚度大的桩，较少部分传向桩间土，随着荷载的增加以及桩间土的压缩，传到桩上的荷载逐渐增大，而传到土中的荷载减少。如垫层和下卧层刚度较大，则荷载将更多地由桩来承担，接近于形成桩基；如垫层和下卧层刚度不太大，或桩的承担荷载较大，当桩间土压缩下沉时，随着桩承担的荷载分量的增大，势必在桩顶或桩端产生刺入变形，这时桩间土所受的压力又会有所增大，迫使桩间土进一步压缩。桩的刺入变形与桩间土的压缩变形就这样经历着一个反复循环、协调的过程，这个协调过程最终会达到平衡［3］。

通过以上分析可知，桩体分担荷载的能力并不是简单地与桩体材料本身的模量相关，也不是仅考虑置换率即可，而是与桩对垫层的刺入量有很大的关系。复合地基为保证桩间土的受力，需保证有一定的刺入变形，刺入量对桩土的荷载分担比例具有协调作用。桩的刺入变形的大小显然与桩、土、垫层的模量有关，也与桩径以及置换率等有关。此外，刺入量还与桩土间的摩擦力大小有关。在复合地基中要真正调动和发挥土的承载能力，必须使桩具备刺入垫层的条件，否则将难以形成真正的复合地基。

桩体刺入变形量的分析与研究是复合地基沉降和荷载传递规律的一个重要组成部分，它将进一步完善复合地基沉降理论，并对复合地基的设计工作起到重要的作用［4－6］。因此，桩体刺入垫层的变形量应该得到较多的重视，但目前对于桩体刺入变形量的研究并不多见，实测的资料也较少。

基于以上考虑，为了探讨复合地基在荷载作用下的桩体刺入垫层量，以及桩土应力比的变化规律，进行了室内模型试验。并对不同的桩径、垫层厚度和下卧层厚度等工况下的试验结果进行了对比分析。

2 试验研究

2．1 试验模型概况

试验仪器采用了河海大学自主研制的一套室内沉降模型试验设备［7］，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。

仪器主体为一透明有机玻璃桶，桶壁厚2．0 cm，桶内径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，这相当于取一个桩土单元进行试验。荷载板的直径等于桶体内径，由于桶壁的限制作用，因此加载情况可以模拟群桩的加载。荷载通过位于4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2部分，内部各层沉降观测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，其中游标卡尺精度达0．01 cm。

试验用桩采用硬质PP－R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，已有大量学者采用它作为试验用桩。桩体的侧面贴2组应变片（10片），可以量测得到桩体的压缩量。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。而砂土没有黏聚力，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。

2．2 试验方法

竖向荷载通过放置砝码而施加到荷载板上，试验共进行10级加载，试验每级荷载加载量均为9．65 kPa（砝码重量188．8 kg）。据桩径、垫层厚度和下卧层厚度的不同，试验共分8组，分组情况见表1。

图1 试验装置Fig．1 The test apparatus

表1 模型试验分组情况Table 1 Cases of themodel test mm

3 试验结果分析

3．1 桩土应力比分析

图2和图3为不同桩径情况下的桩土应力比和桩体荷载承担比。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%，相应的桩体荷载承担比只增加了2%左右。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。图4所示是不同垫层厚度对应力比的影响对比。可以看出，垫层厚度越大，桩土应力比越小。这表明了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5中可以看出，下卧层厚度越小，桩端应力比越大。产生这种现象的原因是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，桩体不向下产生刺入，桩体承担荷载会达到最大，应力比也会达到最大值。设计工作中，当下卧层厚度不大时，应尽量使桩体达到持力层深度以发挥桩体承载力。

图2 不同桩径（置换率）对应力比的影响Fig．2 Effects of pile diameter（replacement ratio）on pile-soil stress ratio

3．2 桩体刺入垫层量分析

当下卧层厚度为0时，桩端和桩端处桩周土是等沉降的。通过应变片的测量，我们可以得到桩体的压缩量；通过桩周土沉降的观测，我们可以得到桩周土体的压缩量，而两者压缩量之差就是桩体刺入垫层量。

图3 不同桩径（置换率）对桩体荷载承担比的影响Fig．3 Effects of pile diameter（rep lacement ratio）on pile’s bearing ratio

图4 不同垫层厚度对应力比的影响Fig．4 Effects of cushion thickness on pile-soil stress ratio

图5 不同下卧层厚度对应力比的影响Fig．5 Effects of substratum thickness on pile-soil stress ratio

图6 所示是垫层厚度（40 mm）一定的情况下，不同桩径对桩顶刺入量的影响对比。图中可以看出，随着荷载的增大，桩顶刺入量也逐渐增大，并逐渐趋于稳定；桩径较大的复合地基，桩顶刺入量较小。这与前面图2桩顶处应力比的分析一致，桩径越大，桩顶处应力比越小，刺入量越小。当荷载增加到第4级以后，桩端刺入量和荷载基本上呈线性的关系。对应前面桩端应力比的分析，在施加第4级荷载以后，桩端应力比基本上趋于一定值，此时的刺入量随荷载的增大而增大。图7所示是桩径（63 mm）一定的情况下，不同垫层厚度对桩顶刺入量的影响对比。图中可以看出，垫层厚度越大，桩顶刺入量越大。

图6 不同桩径（置换率）对刺入量的影响Fig．6 Effects of pile diameter（replacement ratio）on penetration

图7 不同垫层厚度对刺入量的影响Fig．7 Effects of cushion thickness on penetration

图2 至图7中可看出参数的改变可以使得荷载的分担有较大的不同，说明了在设计工作中，为了使桩土的承载能力得到充分且合理的发挥，一定要考虑桩体刺入垫层量的影响。

4 结 论

通过室内模型试验对桩体刺入垫层进行了研究，得到了以下结论和建议：

（1）随着荷载的增大，应力比逐渐趋于一定值，桩体刺入量也逐渐增大；

（2）增大桩径，应力比和刺入量会有所减小，桩体的荷载承担比变化不大，因此，在复合地基的设计中，靠增加桩径（置换率）来提高桩体的承载力发挥度是不经济的；

（3）增大垫层厚度，桩土应力比会有所减小，这说明了垫层的调节能力，合理的垫层厚度是设计中的重要内容；

（4）垫层厚度的增加，刺入量会逐渐增大；

（5）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。

［1］ JGJ79－91，建筑地基处理技术规范［S］．北京：中国计划出版社，1992．（JGJ79－91，Specifications on Foundation Treatment Techniques［S］．Beijing：China Planning Press，1992．（in Chinese））

［2］ 龚晓南．复合地基理论及工程应用［M］．北京：中国建筑工业出版社，2002．（GONG Xiao-nan．Theory of Composite Foundation and Its Engineering Application［M］．Beijing：China Architecture＆Building Press，2002．（in Chinese））

［3］ 毛 前，龚晓南．桩体复合地基柔性垫层的效用研［J］．岩土力学，1998，19（2）：67－73．（MAO Qian，GONG Xiao-nan．Research on the Properties of Cushion of the Composite Ground［J］．Rock and Soil Mechanics，1998，19（2）：67－73．（in Chinese））

［4］ 刘绪普，龚晓南，黎执长．用弹性理论法和传递函数法联合求解单桩沉降［C］∥第四届地基处理学术讨论会论文集．杭州：浙江大学出版社，1995．（LIU Xu-pu，GONG Xiao-nan，LI Zhi-chang．Calculation of Single Pile Settlement Using Theory of Elasticity and Transfer Function［C］∥Proceedings of the Fourth Symposium on Foundation Treatment．Hangzhou：Zhejiang University Press，1995．（in Chinese））

［5］ 张忠苗，陈洪，吴慧明．柔性承台下复合地基应力和沉降计算研究［J］．岩土力学，2004，25（3）：451－454．（ZHANG Zhong-miao，CHEN Hong，WU Hui-ming．Research on Stress and Settlementof Composite Ground with Soft Base Slab［J］．Rock and Soil Mechanics，2004，25（3）：451－454．（in Chinese））

［6］ 王律明，陆华东，吴慧明．柔性基础复合地基沉降计算［J］．中南公路工程，2005，30（3）：77－80．（WANG Lvming，LU Hua-dong，WU Hui-ming．Settlement of Composite Foundation with Soft Base Slab［J］．Central South Highway Engineering，2005，30（3）：77－80．（in Chinese））

［7］ 亓 乐．复合地基模型试验及考虑下卧层特性的沉降计算研究［D］．南京：河海大学，2009．（QI Le．Model Tests on Composite Ground and Settlement Calculation Considering Substratum Characteristics［D］．Nanjing：Hohai University，2009．（in Chinese））

（编辑：姜小兰）

M odel Test on the Depth of Pile Penetration into the Cushion of Composite Foundation

QILe，WANG Qing-song，QU Ning
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Ltd．，Ji’nan 210013，China）

Researches on the depth of pile penetration into the cushion of composite foundation is a part of understanding the foundation settlement and load transfer，which would further complete the theory of composite foundation settlement．We performed model tests on composite foundation under differentworking conditions to obtain the workingmechanism of cushioned composite ground，and to investigate the pile-soil stress ratio and the behavior of pile penetration into the cushion．Itwas found thatwith the increase of load，the pile-soil stress ratio tended to be stable．When pile diameter increased，the pile-soil stress ratio and the penetration reduced，while the load bearing ratio of pile rarely changed．Therefore，it’s uneconomical to add pile diameter（replacement ratio）to improve the bearing capacity of piles．The rise of cushion thickness helped reduce the pile-soil stress ratio，while intensified the penetration．The test results provide data support for the design of composite foundation．

composite foundation；cushion；model test；depth of penetration；pile

TV553；TU472

A

1001－5485（2012）08－0125－042012，29（8）：125－128

10．3969／j．issn．1001－5485．2012．08．023

2011－07－29

亓 乐（1981－），男，山东淄博人，博士，主要从事电力勘察设计和复合地基方面的研究工作，（电话）15053120967（电子信箱）qile81＠163．com。