桩筏复合地基水平特性试验

陈 懿,程建华,朱小军

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司,江苏 扬州 225127;2.扬州大学 建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127)

0 引 言

桩筏复合地基技术主要应用于大型桥梁工程、 高层建筑基础中, 即在筏板与桩基础之间通过设置垫层, 可调整桩、 土分担荷载, 试图使土先承担荷载, 既减少桩数, 又可控制沉降， 并且筏板与桩顶分离, 避免了上部结构的荷载及水平荷载直接传给桩基础。 因此桩筏与桩间土构成的桩筏复合地基可以有效地提高地基承载力并减少沉降[1]。

国内外众多学者对竖向荷载作用下的桩筏复合地基进行了大量研究,主要集中在其承载力、桩土分担情况及沉降计算等方面。众多学者采用模型试验和数值方法对桩筏复合地基的工作机理进行了研究[2-3],主要集中在沉降特性及变形规律上。Sinha等[4]利用有限元数值方法对桩筏的工作机理进行了分析,发现垫层可调节桩土荷载传递机理,桩身最大轴力位置与垫层相关参数相关。俞建霖等[5]对桩筏复合地基进行了现场原型试验,通过测试数据预测出复合地基的工后沉降,发现路面沉降曲线成锅形分布,中间沉降量较大、两侧较小。李强等[6]建立了桩筏复合地基三维有限元模型,结果表明桩筏复合地基具有良好的加固效果,能有效地减小沉降、提高地基承载力,桩身轴力，先中间大两头小的分布形态。

对于由风及地震作用等引起的水平荷载对桩筏复合地基的影响研究相对较少。一些学者通过模型试验研究了水平荷载和竖向荷载共同作用下的单筏基础、群桩和桩筏基础的工作机理[7-9]。郑刚等[10]利用室内模型试验获得了桩筏复合地基在水平荷载作用下的承载特性,推导出地基极限承载力计算方法。纠永志等[11]利用非线性方法建立了考虑筏板刚度的桩筏复合地基的桩筏共同作用计算方法,并对水平荷载作用下复合地基的影响因素进行了分析。刘汉龙等[12]利用足尺试验对桩筏复合地基进行了一系列水平加载试验,发现桩身弯矩和水平位移可通过调整相应参数得到降低,并对桩筏复合地基设计提出了一些建议。

通过文献调研发现,水平荷载和竖向荷载共同作用下的桩筏复合地基的工作机理及承载性能存在较多分歧,仍需继续研究。本文拟对竖向荷载和水平荷载共同作用下的桩筏复合地基工作机理和受力特性进行室内模型试验探究, 分析竖向荷载和桩数对筏板水平位移、桩身弯矩及桩身剪力的影响规律。

1 室内试验

1.1 试验设备

模型试验在1 500 mm(长)×1 000 mm(宽)×1 000 mm(高)的模型槽中进行,试验水平荷载采用模型槽侧面的定滑轮装置进行加载。试验装置主要由模型箱、加载装置及量测系统组成，加载装置由配重砝码、钢丝及定滑轮组成，量测系统由应变片、土压力盒、数据采集仪、位移传感(LDT)及数码相机组成。自制带钢珠加载平台可保证竖向荷载与水平荷载的耦合,筏板在水平方向可自由滑动。模型桩采用PVC管作为基桩,采用埋入式植桩方法消除挤土效应。模型试验装置如图1所示。

图1 模型试验示意图

1.2 试验材料

筏板模型为边长Br=300 mm、厚度为50 mm正方形钢板。本试验模型缩尺比例为1∶50。经过比选,模型桩采用PVC管桩,其桩径为D=25 mm,壁厚1 mm,桩长为L=280 mm,实测其弹性模量为900 MPa,桩表面经过打磨粗糙处理。模型桩与土压力盒的布置如图2所示,桩顶和土顶埋设量程为0.1 MPa的微型应变式压力盒。

地基土样采用干燥细砂, 平均粒径D50=0.13 mm, 含水率为2.82%～3.67%, 密度为1.65 g/cm3, 相对密实度为0.56。 复合地基的垫层采用砾砂代替, 粒径为0.5～4.0 mm, 相对密实度为0.64。 填砂时采用落雨法分层铺设, 并压实整平直至地基土面达到预计高度, 砂砾垫层厚度为Hc。

图2 模型桩平面布置图

1.3 试验方法

为测定试验中桩身弯矩、 剪力, 以9桩桩筏复合地基为例, 沿着荷载施加的方向,选取前排桩(P1)、 中排桩(P2)、 后排桩(P3)在桩身轴对称粘贴5组电阻应变片,并用硅胶包裹住。筏板底土压力、桩间土压力采用DYB-1型电阻应变式土压力计测量,土压力计和应变片数据由动态应变测量仪采集。试验采用工字钢反力架装置,先对筏板进行竖向加载,再通过进行水平加载。竖向加载荷载值为800 N时,水平向极限荷载为356 N,每级荷载加载值取50 N。本次模型试验中桩筏复合地基的垫层厚度均为5 cm,共设计了7组模型试验，详见表1。

表1 试验模型参数

2 试验结果及分析

2.1 筏板荷载-位移关系曲线

2.1.1 桩数的影响 图3为筏板竖向荷载为800 N时,单筏、单桩、4桩和9桩的桩筏复合地基水平荷载-位移关系曲线。可以看出,筏板水平位移荷载呈现弹塑性的关系,当水平荷载小于100 N时,筏板水平位移为弹性阶段,其后位移曲线呈非线性增加。单筏的水平位移曲线增幅最大,最大达到11.46 mm;当筏板底部增加桩数,筏板水平位移呈现递减趋势,9桩桩筏复合地基的水平位移仅为6.33 mm,可见筏板水平位移因底部设置复合地基而得到控制。

图4显示出桩数对筏板水平位移的影响随着水平荷载的增大而更加显著,因此在筏板底部设置复合地基可有效限制筏板的水平位移。

图3 竖向荷载为800 N时不同桩数复合地基水平荷载-位移关系

图4 不同水平荷载下桩数对于筏板水平荷载-位移关系

2.1.2 竖向荷载的影响 图5为4桩桩筏复合地基在不同竖向荷载下的水平荷载-位移曲线,施加在筏板的竖向荷载越大,筏板的水平位移越小。当施加在筏板的水平荷载相同时,筏板竖向荷载增加时,筏板水平位移逐渐减小。

图5 不同竖向荷载下4桩桩筏复合地基的筏板水平荷载-位移的影响

2.2 桩身弯矩

2.2.1 4桩桩筏复合地基 图6为4桩桩筏复合地基在竖向荷载为800 N不同水平荷载下的桩身弯矩图。 随着水平荷载增加, 桩身弯矩逐渐增大, 桩身最大弯矩位于0.5倍桩长处; 前排桩P1的弯矩值比后排桩P3更大, 在水平荷载为300 N时,P1和P3的最大弯矩值分别为309.68、 123.32 N·mm, 前排桩P1的最大弯矩达到后排桩P3的2.5倍。

图7为4桩桩筏复合地基在竖向荷载为400 N时不同水平荷载下的桩身弯矩图,P1和P3的最大弯矩值分别为233.72、 67.45 N·mm, 前排桩最大弯矩达到后排桩接近3.5倍, 这是由于前排桩P1不仅受到桩后土体的推力还受到后排桩及桩间土体的推力,产生应力叠加的效应。以前排桩P1为例, 与竖向荷载800 N的情况相比, 筏板上作用竖向荷载为400 N时的P1桩最大弯矩减少了约32.5%,可见筏板上施加的竖向荷载能够筏土摩擦力,从而使土体的水平承载力得到更多发挥,进而带动桩体产生水平变位。

图6 竖向荷载为800 N时不同水平荷载下4桩桩筏复合地基的桩身弯矩图

图7 竖向荷载为400 N时不同水平荷载下4桩桩筏复合地基的桩身弯矩图

2.2.2 9桩桩筏复合地基 图8为9桩桩筏复合地基在竖向荷载1 200 N不同水平荷载下的桩身弯矩图。桩身最大弯矩均位于0.5倍桩长处;P1、P2、P3的最大弯矩值相差较大,P3的最大弯矩仅为P1的l/4,P2的弯矩值居中,可见前排桩P1承担水平荷载最多,中排桩P2次之,后排桩P3最少;在水平荷载施加初期,P1桩身弯矩最小,可见中、后排桩较前排桩先进入工作状态,而随着水平荷载的增大,P2、P3桩身弯矩增量减缓,前排桩P1桩身弯矩增量加速,逐渐进入工作状态并承担了大部分水平荷载,与文献[12]中PCC桩复合地基桩身弯矩分布规律相似。

2.3 桩身剪力

图9为9桩桩筏复合地基在竖向荷载1 200 N不同水平荷载下的桩身剪力图。桩顶处剪力最大,并沿着桩身逐渐减小。前、中、后排桩的桩身剪力值在荷载初期较为接近;当水平荷载达到300 N时,前排桩P1最大剪力与中排桩P2较为接近,而后排桩P3最大剪力最小,其值约为前排桩P1的1/4,可见后排桩剪力与前、中排桩相差较大,这是由于后排桩P3前土体应力产生松弛从而降低了桩侧土抗力。

图8 竖向荷载为1 200 N时不同水平荷载下的9桩桩筏复合地基桩身最大弯矩图

图9 竖向荷载为1 200 N时不同水平荷载下的9桩桩筏复合地基桩身剪力图

3 结 论

(1)桩筏复合地基受水平荷载作用时,筏板水平位移随着桩数或竖向荷载的增加而减小,可见增加桩数与竖向荷载可有效限制筏板的水平位移;桩身最大弯矩位于0.5倍桩长处,而桩身最大剪力位于桩顶处,当筏板竖向荷载减小时,桩身弯矩及剪力值均随之降低。

(2)4桩桩筏复合地基受水平荷载作用时,当筏板竖向荷载由800 N减小到400 N时,桩身最大弯矩减少约32.5%;前排桩最大弯矩达到后排桩的数倍,这是由于前排桩不仅受到桩后土体的推力还受到后排桩及桩间土体的推力,产生应力叠加的效应。

(3)9桩桩筏复合地基受水平荷载作用时,桩身剪力值随着水平荷载增加逐步增大;后排桩剪力与前、中排桩相差较大,这是由于后排桩前土体应力产生松弛从而降低了桩侧土抗力。