深厚软土地基桩筏基础筏板厚度承载特性试验

舒志乐，刘智宇，陈昱东

(1. 西华大学应急学院，成都 610039； 2. 四川省建筑设计研究院有限公司，成都 610000)

中国软土分布广泛，在东部沿海地区和部分内陆地区都很常见，形成原因也较多，主要分为陆相沉积和海相沉积。软土的工程特性较差，通常具有高压缩性、强度低、稳定性差及高含水率等特点。由于软土地基的承载能力不足，直接在未经处理的软土地基上进行工程建设时，极易发生基础失稳进而引发安全事故，造成巨额的经济损失。此外，在没有清楚定义桩基与筏板相互工作机制的前提下，盲目采用不合适的地基加固方法往往也会导致经济效益不理想甚至事倍功半等情况，造成不必要的损失。因此针对桩筏基础复合地基承载特性展开研究，具有重要的工程与经济意义。

桩筏基础是软土地基处理中常见的复合地基处理方法，用以弥补地基土承载力要求或者沉降要求的不足，自改革开放大力发展东部沿海地区以来，各界学者就桩筏基础等复合地基展开了许多的相关研究。近年来，李亚洲等[1]研究了地震荷载下大直径单桩基础承载特性的影响因素，阐述入土深度与桩体直径和壁厚对基础水平位移和桩基变形的影响，但并未涉及桩体与筏板共同工作的特性;李大勇等[2]开展了砂土中锥形基础水平单调加载的模型试验研究，给出了基础水平承载力的影响因素，但缺乏土体性质对基础影响的进一步阐述。王国辉等[3]通过数值模拟和现场长期沉降的实测数据对比，分析了高耸重型储槽群条形不连续桩筏基础的沉降规律，提出了改变筏板整体连接等方式来调整条形不连续桩筏基础的沉降，然而其方法本质上是通过调整刚度来实现，文中却未明确刚度与沉降之间的关系;曹云等[4]给出了在地下增层开挖时单桩竖向沉降的近似解析方法，但在多桩体的实际工程中，还需加入群桩效应等因素进行分析。蒋刚等[5]利用先期模型试验数据，得出桩与地基土荷载分担关系并建议了能反映桩筏基础在承载过程中桩土各自状态的桩筏基础安全度计算式;李帆等[6]对桩筏基础的桩土荷载分担比进行了研究，但缺乏模型试验对其结果进行验证。周峰等[7]以实际工程为例，详细论述了桩筏基础主动控制技术应用于该项目的设计计算过程，并取得了显著的经济效益，但在控制过程中未提及筏板刚度相关参数。

尽管中外包括上述学者已对桩筏基础进行了大量相关研究，如江见鲸等[8]将关于桩筏基础的工程经验总结并编撰出《建筑工程事故分析与处理》专著，但关于筏板厚度对于整个基础承载性能影响的控制临界点还未有相关成果。现首先阐述筏板厚度对筏板刚度的影响规律，通过试验了解不同刚度下桩筏基础的承载特性，给出建议的刚度区间以优化设计。其次，对于桩筏基础的研究大多基于实测数据与数值模拟，少有学者通过模型试验来探讨深厚软土地基中桩筏基础筏板厚度的承载特性，试验通过等比模型减少干扰因素，以更直观准确的方式呈现刚度对承载特性的影响。最后，桩筏基础的应用研究主要集中在沿海地区的地基处理上，四川等内陆省份形成的软土土质不同，对于其他地区得出实测数据的规律性是否完全适用于内陆地区还需要进一步的验证和探讨。因此，针对内陆深厚软土地区桩筏基础承载特性展开研究，建立模型试验总结承载规律，对于桩筏基础的优化应用及指导实际工程具有重要价值。

1 模型参数及布置

1.1 模型基本参数

在确定模型试验的相似比时，设置的模型相似比越小，可得到的测试数据精度就会越高，总结过往桩筏基础相关模型试验的经验，通过谈庆明[9]的相似分析，并根据相似第二定律(Bockingham π定理)[10]，确定此次模型试验几何相似系数CL=10。

模型桩和筏板分别选用有机玻璃棒和有机玻璃板进行制作[5]，桩筏基础外形尺寸为50cm×50cm，筏板厚度根据工况不同分别为2、3、4cm，桩径为2cm，桩间距为12cm。在筏板底部的相应位置开1cm深的圆孔，用环氧树脂胶形成桩头与筏板的固定联结，黏结以后放置24h以确保桩头与筏板的稳定连接。为了使模型基础与土接触面有一定的粗糙程度，在筏板的下表面及桩的表面用环氧树脂胶黏一层很薄的细砂。用于模拟桩筏基础的模型图如图 1所示，有机玻璃板和有机玻璃棒如图 2所示。

图 1 试验模型Fig.1 Test model

图 2 筏板与基桩模型Fig.2 Raft and foundation pile model

1.2 试验装置及工况布置

模型试验场地位于西华大学岩土试验中心，在露天自制的一个基坑中进行，基坑内壁尺寸为1.5m×1.5m×1.5m，在试验前使用土工布和防水密封膜进行铺设并在连接处使用密封胶密封处理，目的在于减小内壁的摩阻力以及减小边界对土体变形的影响，如图 3所示。

图 3 1.5m×1.5m×1.5m试验基坑Fig.3 1.5m×1.5m×1.5m test foundation pit

试验用模型土取自成都市郫都区某地的淤泥质黏土。土体整体呈现为灰色，为含水率大、有机质含量高的典型沼泽相沉淀软土。在试验进行之前，先进行持力层的填筑，将捣碎过后的黄黏土中掺入事先调配合适的外掺剂，在搅拌均匀后倒入试验基坑内并用夯锤进行夯实铺平工作，在填筑完毕后用密封膜铺在表面以使持力层自行固结，之后对土体表面进行拉毛处理以形成一个独立的土层。在持力层填筑完毕后进行软土层的填筑，为尽量保证土体的性质不改变，软土从取土地用汽车取回后在经过5mm筛网过滤后直接进行回填，分层填筑到设计深度时埋设相应的测试装置，在填筑完成后静置一段时间让土体稳定，在试验土体回填完毕后对土体进行真空预压处理以降低含水率，如图 4所示。在处理过后取试验土体进行土工试验，测定试验用土体常规物理参数，测定过后的具体物理参数如表 1 所示。在桩筏基础模型制作中，首先对于基础位置进行测量放线确定位置，再按照设计尺寸挖出桩孔并放置桩筏基础模型。

表 1 地基土参数Table 1 Parameters of foundation soil

图 4 1.5m×1.5m×1.5m基坑真空预压处理图Fig.4 1.5m×1.5m×1.5m foundation pit vacuum preloading diagram

由于模型试验中筏板尺寸较小，基坑四周离桩体的最小距离也大于筏板的边长，并且基坑底部离桩底距离也有一倍桩长以上，所以可忽略基坑边界对试验结果的影响。

为了使施工方便稳定以及更好地还原实际工况，试验通过使用千斤顶-反力架装置来进行加载，通过土的物理力学性质来估算土体的极限承载力，以此为最终加载量的参考依据，每次试验的加载共分为十级加载。在加载前读取并记录测试元器件的初始数据，并以此作为测试的基准值。每一级的荷载加载过程中，在加载之后每隔5、10、15min各进行一次数据读取和记录，之后每隔15min读取记录一次，累计1h之后每隔0.5h进行读取和记录监测数据一次，直到沉降达到相对稳定状态之后进行下一级加载。

1.3 测试元器件的布设

在进行仪器的接线时统一采用蛇形布线法，将所有导线引至基坑边缘一起导出以避免土体的变形位移对线的破坏。应变片的布设:在试验中使用应变片对桩表面及筏板表面进行应变测量。桩体在距离桩顶3cm处，在桩的两侧对称布置两个电阻应变片，在每个测试处的有机玻璃棒表面开槽贴应变片。刻槽内应变片粘贴处用细砂纸打毛并清除干净后，使用502胶粘贴应变片，随后用环氧树脂胶填满刻槽。在粘贴应变片时保证位置和方向的正确以避免测量误差。应变片的应变测量引线使用接线片引出，并使用650固化剂与环氧树脂按1︰1的比例配制的环氧胶密封应变片和接线片，这样不仅能起到隔水和防潮的作用，更能有效防止试验过程中对应变片的破坏。考虑到模型的对称性，在筏板底面自西向东共在桩体所在轴线上设置A和B两条测线，每根测线上依筏板边线方向依次布设11个应变片，共计44个应变片用以测量筏板的应变变化。两种桩体的应变片布置及筏板应变片布置示意图如图 5所示。

图 5 桩体布置与筏板应变片布置图Fig.5 Pile layout and raft strain gauge layout drawing

1.4 筏板相对刚度分析

在进行桩筏基础模型试验前，依据室内土工试验测得的地基土变形模量和桩筏基础的几何尺寸，对桩筏基础的性状进行初步的分析。对于基础筏板，根据Clancy等[9]的研究中提出的筏板相对地基土的刚度计算式Krs为

(1)

式(1)中：Er为筏板材料的弹性模量，MPa；Es为地基土的变形模量，MPa；Vs为地基土的泊松比；Lr为筏板的长度，cm；Br为筏板的宽度，cm；tr为筏板的厚度，cm。

不同的Krs对应于桩筏基础不同的变形性状，如柔性、弹性、刚性、绝对刚性，即

其中Er=2.6×103MPa，Es=1.24MPa，Vs=0.42，Lr=Br=50cm，tr=2cm，经计算的Krs如表 2所示。

表 2 各工况筏板相对刚度Table 2 Relative rigidity of raft under various working conditions

从表 2 可以看到，筏板厚度对于筏板的相对刚度具有一定的影响，本次物理模型试验的筏板处于弹性状态。

2 模型试验结果分析

2.1 荷载-沉降关系

通过布置在筏板上各位置上的位移计测得的变形位移数据，计算得到在不同筏板厚度的荷载与桩基础平均沉降关系，如图 6所示。

图 6 不同筏板厚度下荷载与桩基础平均沉降关系图Fig.6 The relationship between the load and the average settlement of the pile foundation under different raft thicknesses

由图 6 可知，不同厚度筏板的荷载-沉降曲线也基本可分为上文所述的3个阶段，即线性阶段、非线性阶段和破坏阶段，并且可以看出，在筏板相对地基土处于接近柔性和弹性状态时，随着筏板厚度的增加，整个桩筏基础的最终平均沉降有所增加的，一方面，在筏板的厚度增加的同时，筏板自身也在变重，相当于整个基础受到的荷载有所增加，且由于筏板总的的相对刚度不高，加大筏板厚度对于承载能力的提升有限，故而最终平均沉降随着筏板厚度的增加而变大； 另一方面，可以看出随着筏板的厚度增加，桩筏基础的差异沉降有所降低，这是由于在筏板的厚度增加以后，筏板的整体刚度在一定程度上变大，整个桩筏基础抗变形能力增大，受荷载时各个部分的沉降差变低。

软土地区的桩筏基础往往遵从沉降控制的思路，从最终沉降来看，加大筏板厚度可以很好地降低基础的差异沉降，但是在筏板刚度相对地基土处于弹性状态时会增加基础的最大沉降，并且从经济层面上考虑，更厚的筏板也会带来相应造价的提升，设计者在进行软土地区桩筏基础设计时应综合考虑筏板厚度对于沉降的影响。

2.2 桩与筏板荷载分担关系

由于桩筏基础中桩土在承载过程中各自的荷载分担作用，需要进一步对桩筏基础的桩土荷载分担特性进行研究，通过试验，测得在不同筏板厚度下的荷载分担关系，如图 7所示。

图 7 不同筏板厚度下桩与筏板荷载分担系Fig.7 Load sharing relationship between piles and rafts under different raft thicknesses

由图 7 可知，由于桩体的刚度远远大于土体刚度，所以在开始加载时，主要的承载工作由桩体来承担，桩体的承载分担比要比筏板的承载分担比更大，随着荷载的持续增加，筏板及其下方的土体开始发挥承载能力，这时桩体的承载分担比增量开始变缓，而筏板及其下方土体的承载分担比增量开始变大，在承载后期，桩体进入极限状态，增长几乎停滞，这时表现为桩和筏板分担荷载的主次地位发生变化，筏板开始承担了主要荷载。

从不同筏板厚度桩筏基础的荷载分担比来看，随着筏板厚度的提升，筏板刚度增加，加强了筏板的承载能力，在加载后期筏板更早进入主导主要承载工作的状态，这说明加大筏板厚度对于充分利用筏板的承载性能以及调动板下土体参与承载是有积极效果的，适当增加筏板厚度可以减少桩体的用量。

2.3 筏板内力分布特征

对不同筏板厚度下的A轴和B轴板带进行了分析，通过布置在筏板表面的应变片收集到的应变数据，计算得到弯矩。数据整理后如图 8所示。

图 8 不同筏板厚度下筏板内力分布特征Fig.8 Distribution characteristics of raft internal force under different raft thickness

由图 8 可知，随着筏板厚度的增加，减小了最大扰度和最大扰度差，这使得最大弯矩增加，筏板局部弯曲明显增强，在筏板的跨中主要受正弯矩，而在桩的位置附近则是受到负弯矩，在加大筏板厚度的过程中，筏板由整体弯曲过渡到了局部弯曲为主。在桩筏基础设计中，需要注意局部弯矩增大后对于桩筏基础抗冲切性能的影响。

2.4 单桩工作性状分析

试验主要分析不同筏板厚度下桩筏基础的角桩、边桩和中桩的工作性状，三种类型桩的荷载-沉降关系如图 9所示。

图 9 不同筏板厚度下单桩工作性状分析Fig.5 Analysis of working behavior of single pile under different raft thickness

由图 9 可知，加大筏板厚度后，桩顶反力最大变成了角桩，接下来是边桩，最后是中桩，这是由于在加大筏板厚度以后，筏板的刚度有所提升，筏板的架越作用开始进一步体现，使得筏板板底反力开始向边缘集中，这导致了角桩的桩顶反力不断增大，中桩的桩顶反力也随之有一定幅度的增大，但是在上升速率上没有角桩上升速率，而对于中桩的桩顶反力却随着筏板厚度增加呈现下降的态势。从以上分析可以看到，筏板相对刚度处于接近柔性状态和弹性状态时，桩顶反力的分布趋势有很大的不同，说明筏板的相对刚度对于桩顶反力分布具有较大影响，在进行桩筏基础设计时应注意到这一点。

3 结论

通过对模型试验测得的数据进行了处理，分析了深厚软土地基中桩筏基础不同筏板厚度的变形沉降和内力分布等规律，主要有以下结论。

(1)深厚软土地基中桩筏基础的总荷载-平均沉降曲线整体上分为三个阶段，即线性阶段、非线性阶段和破坏阶段。在筏板相对刚度处于弹性状态时，随着筏板厚度的增加，桩筏基础的平均沉降有所增加，与此同时基础各部位的差异沉降在降低。

(2)在承载的前期，桩体和筏板各自分担的荷载相差不多，在后期随着桩体达到极限状态，上部荷载更多地由筏板及板下土体来承担。在加大筏板厚度后，筏板的承载能力增加，更早地进入主要承担荷载阶段，充分地发挥了筏板与土体的共同作用。

(3)在承载过程中，筏板整体为受弯状态，由于桩体的支撑作用，在桩体位置有局部受弯为负弯矩现象，并且随着荷载增大都有所增大。加大筏板厚度以后，由于减小了扰度差及最大扰度，筏板弯矩有明显增大，筏板由整体受弯变为局部受弯。

(4)随着筏板厚度增加、筏板刚度增加，由于筏板的架越作用使得板底反力向四周集中，桩顶荷载最大部位由中桩变为了角桩，这说明在桩筏基础中，下部桩体的承载作用并非是同步发挥的，它受筏板的刚度、布桩方式和桩土之间的相互作用影响。