变刚度复合地基桩土荷载分担比研究_杨永新

荷载传递到桩间土上 ,也就能保证在任意荷载作用下
桩和桩间土始终参与工作 。加荷初期 ,桩周土承担较
大荷载 ,桩承担的荷载相对较小 ,桩还有较大的发挥余
地 ,桩土位移的调节没有稳定 ,因此桩土应力比也不会
稳定 。随着荷载增加 ,桩体承担的荷载比例逐渐加大 ,
而土承担的荷载比例减小 ,桩土应力比随荷载增加逐
112 模型桩 以 CFG 桩复合地基为研究对象 ,桩的混凝土强度
33
等级取 C15～C25 ,经过多次试验并考虑模型的几何相 似比确定模型桩水泥含量 12 % ,粉煤灰含量 10 % ,碎 石(粒径为 3～5cm , 几何相似比为 1∶20 , 以粒径小于 5mm 的中砂代替) 63 % ,水 15 %。制作模型桩 ,同时制 作试块 , 养 护 28d 后 经 过 试 验 测 得 立 方 体 抗 压 强 度 1415MPa ,弹性模量11 200MPa 。
单桩复 合 地 基 桩 土 应 力 比 较 桩 长 6m 的 约 高 6 %～
图 4 单桩复合地基桩 土荷载分担比
图 5 单桩复合地基 桩土应力比
10 %。桩长为 12m 单桩复合地基的桩荷载分担约是桩 长 6m 的 1107～1114 倍 ,桩长 9m 的单桩复合地基桩荷 载分担约是桩长 6m 的 1103～1106 倍 。即桩土应力比 和桩荷载分担随桩长增加而加大 ,这也进一步证明了 文[ 2 ]通过有限元分析得到的结论 :在桩径比一定的条 件下 ,桩土应力比 n 随着桩土相对刚度的增大而增大 。
图 4 ,5 给出了不同桩长的单桩复合地基的桩土荷
载分担比和桩土应力比 。复合地基承受荷载时 ,桩和
桩间土都要发生沉降变形 ,由于桩的模量远大于土的 ,
因此桩的变形比土的小 ,由于基础下设置了一定厚度
的褥垫层 ,桩可以向上刺入 ,伴随这一过程 ,垫层材料
不断调整补充到桩间土上 ,以保证基础始终把一部分
是由于变刚度复合地基边 、角桩采用较短桩 ,复合地基
的总体刚度降低 ,使桩承担的荷载降低 ,而相应的土承
担的荷载提高 。可见 ,桩土应力比和桩荷载分担比与
桩长密切相关 ,它随桩长的增加而加大 ,即桩越长 ,其
承担的荷载越多 。但对某一桩土模量比 ,当桩体长径
比超过某一数值时 ,桩土应力比 n 值不再增大[4] 。
21 数据观测 加荷前 ,先测定各应变片和土压力盒的初始读数 。 34
在每级荷载加荷后 ,每隔
30min 观测并记 录 一 次 应
变片 、土压力盒和位移传
感器的读数 ,直至沉降达
到相对稳定后再加下一级
荷载 。沉降相对稳定的标
准为每 h 的沉降不超过
011mm。符合下 列 条 件 之
一时即终止试验 : 1) 在该
第 37 卷 第 11 期
建 筑 结 构
2007 年 11 月
变刚度复合地基桩土荷载分担比研究
杨永新
(内蒙古科技大学 包头 014010)
[提要 ] 以模型试验为基础 ,对传统复合地基及变刚度复合地基在竖向荷载作用下的力学性状进行分析研 究 。通过 11 组模型试验 ,对改变桩长的单桩 、群桩复合地基及变刚度复合地基在竖向荷载作用下的内力及变 形进行了量测和记录 ,试验揭示了桩土相互作用 、荷载传递过程 、桩土应力比 、荷载分担比等规律 。试验结果 表明 ,变桩长 CFG桩复合地基受力更合理 、造价低 、更经济 。 [ 关键词 ] 复合地基 变刚度 桩土应力比 桩土荷载分担比
11 桩身应力测试 根据试验内容和条件 ,在桩的两侧不同断面处对 称粘贴应变片 ,每侧 5 个 ,沿桩长均匀布置 。用于量测 该断面的纵向应变值 ,进而求得各断面处的应力 。 21 桩间土压力及桩顶 、桩端压力测试 在桩顶 、桩端和土中不同位置埋设压力盒 ,压力盒 感应面朝上 ,量测不同试验条件下各位置的应力分布 情况 ,三桩及九桩复合地基压力盒分布见图 1 ,2 ,单桩 的情况与之类似 ,不再给出 。
渐提高 ,桩的作用得到较为完全的发挥 ,进入桩土共同
承担荷载的阶段 。当荷载很大时 ,桩的支撑作用已非
常明显 ,此时荷载的分担开始转向主要由桩来承担 ,桩
土位移与应力比之间的调节趋于稳定并使应力比达到
峰值 ,且逐渐稳定百度文库。
由图 4 ,5 中可看出 ,桩长为 12m 单桩复合地基的
桩土应力比较桩长 6m 的约高 11 %～20 % ,桩长 9m 的
由于承台下压 ,群桩的存在以及承台2土间接触面 摩阻力的发挥都对上部桩间土的侧向挤动产生阻挡作 用 ,使桩间土应力不易扩散 ,而单桩复合地基的桩周土 能较自由地将应力传到外围土体 ,其土体能承受较多 的荷载 ,群桩复合地基土体则承受的荷载较少 ,故群桩 复合地基桩承担的荷载高于单桩的 。同时这种阻挡作 用使桩间土体明显下移 ,从而使上部土体产生较大的 法向应力 ,使群桩负摩阻力增大 。而在桩体中下部 ,由 于邻桩的应力叠加 ,使正摩阻力减小 ,导致桩身最大应 力和桩端应力均大于单桩的 ,中 、边 、角桩桩身最大应 力和桩端应力也不尽相同 。在荷载较小时 ,对于桩顶 的应力 ,中桩的大于边桩的 ,边桩的大于角桩的 。但随 着荷载逐渐加大 ,中桩先达到极限荷载 ,之后荷载向边 桩 、角桩逐渐转移 ,实现了荷载的重分配 ,中桩与边桩 、 角桩桩顶应力差距逐渐减小 ,在荷载很大的情况下 ,甚 至出现边 、角桩桩顶应力大于中桩的情况 ,这可以认为 是承台刚度作用的结果 。
1 试验设计 111 地基土
采用粉质粘土作为模型土 。采用通过调整土含水 率的方法区分加固区土层和下卧土层 ,下卧层直接采 用粉质粘土 ,加固层将土加适量水使其含水量控制在 25 % ,从而使加固区土的压缩性增加 ,土的工程性质较 下卧层变差 ,以模拟实际土层情况 。模拟箱的四周边 界和箱底距模拟桩的距离较远 ,符合圣维南原理 。填 土过程中按每层虚铺 15cm , 夯实静置 10d , 充分固结 后 ,取原状粘土做土工试验 ,其物理力学指标见表 1 。
从图 6～9 可以看出 ,群桩复合地基桩土应力比随 荷载增加呈现上升趋势 , 桩长越长 , 其桩土应力比越 高 。荷载分担的趋势与单桩基本一致 ,群桩复合地基 中桩分担的荷载比单桩的要多 , 比如 p = 500kPa 时 , 12m 等桩长九桩复合地基桩土应力比和桩分担比分别 为 1311 %和 58 % ,12m 等桩长三桩复合地基桩土应力 比和桩分担比分别为 1211 %和 55 % ,而 12m 桩长单桩 复合地基桩土应力比和桩分担比仅为 817 %和 51 %。 这进一步证明了上述文[ 2 ]得到的结论 。 213 变刚度复合地基模型试验
图 2 九桩复合地基压力盒分布示意图 (mm)
113 加载系统与加载程序 11 加荷设备及荷载等级 采用垂直加载系统施加荷载 ( 见图 3) ,用荷重传
感器控制总荷载 ,用位移传感器量测承台沉降和桩 、土 沉降 。对于群桩复合地基 ,均匀布置多个位移传感器 , 以沉降控制加荷 ,保证各点同步沉降 。采用分级加荷 , 每级荷载取预估极限承载力的 1Π10～1Π15 。通过分析 可知该 CFG 桩复合地基的极限承载力为 200～300kPa , 个别可达 500kPa ,故取 50kPa 为一级荷载 。
单桩复合地基承台尺寸为 3 d ,即 90mm ×90mm × 8mm(长 ×宽 ×高) ;三桩复合地基桩间距为 Sa = 3 d ,承 台尺寸为 270 ×90 ×8 ; 九桩群桩的桩间距为 3 d ,承台 尺寸为 270 ×270 ×8 。详见图 1 ,2 。
图 1 三桩复合地基压力盒分布示意图 (mm)
试验内容及参数
表2
单桩改变 三桩改变 九桩改变 三桩变刚度一组 九桩变刚度一组
组别 桩长三组 桩长三组 桩长三组
10
11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 中桩 边桩 中桩 边桩 角桩
改变参数 L (mm) 300 450 600 300 450 600 300 450 600 450
300 600 450 300
加固区物理力学指标
表1
ρ
w
(gΠcm3) ( %)
IP
IL
φc (°) (kPa)
加固区 1197 2510 1112 014 1316 5
下卧层 1190 1615 1112 < 0 1316 5
α122
e0
Es122 (MPa)
0139 0172 412
01131 0167 1115
试验台采用中国矿业大学 (北京) 力学与建筑工程 学院的城市地下工程相似模拟试验系统 。几何相似比 1∶20 ,各组试验褥垫层厚度 H 均为 10mm ,桩径 d 均为 30mm ,桩长 L 及各组试验内容见表 2 。
级荷载下 ,桩急剧下沉 ,以
至无法测读 ; 2) 在该级荷 载下 ,桩的平均沉降量达 到前一级荷载作用下沉降
图 3 加载装置照片
量的 5 倍 ;3) 在该级荷载下 ,桩的沉降量大于前一级沉
降量的 2 倍 ,且最后 5min 的下沉量超过 1mm。
2 模型试验结果分析
211 单桩复合地基模型试验
通过调整桩长形成变刚度复合地基 : 三桩和九桩 变刚度复合地基中桩桩长分别为 9 ,12m ,边桩桩长分 别为 6 ,9m。
从图 6～9 可以看出 ,变刚度复合地基桩土应力比 和桩土荷载分担比均低于相应等桩长复合地基的 ,这
图 6 变刚度与等桩长
图 7 变刚度与等桩长九桩
三桩复合地基桩土应力比
复合地基桩土应力比
由图 5 还可看出 ,当荷载相同时 ,桩土应力比 n 随 着桩长的增加而增大 ,但变化趋势一致 ,桩土应力比 n 约等于 7～9 。荷载较小时 ,桩土应力比 n 随荷载的增 加而显著增大 ; 至荷载为某一数值时 , n 达到最大值 , 意味着桩所发挥的作用达到最大 ;然后随荷载的增大 , n 反而有所减少[3] 。 212 群桩复合地基模型试验 (等桩长)
Research on Pile2soil Proportion of Load of Variation Rigidity Composite FoundationΠYang Yongxin ( Innei Mongolia University of Science and Technology , Baotou 014010 , China) Abstract :The mechanics properties of composite foundation and the variation rigidity composite foundation by scale model tests are studied. Eleven model experiments are conducted , including the single pile , pile group composite foundations with different length , and the variation rigidity composite foundations. The stresses and settlements of the model tests under vertical loads are measured. The principles of pile2soil co2interaction , transferring of loads , pile2soil stress ratio , pile2soil proportion of load and differential settlements are revealed by experiments. The test results indicate that variable length CFG composite foundation is more reasonable , low cost and more economical. Keywords :composite foundation ; variation rigidity ; pile2soil stress ratio ; pile2soil proportion of load