剛性樁復合地基變厚徑比設計

1、長短剛性樁復合地基樁、土承載性狀與厚徑比相關關系試驗研究佟建興，孫訓海，楊新輝，王明山，羅鵬飛(中國建筑科學研究院地基基礎研究所，北京 100013)摘 要：通過室內模型試驗，實測得到了在等厚徑比條件下，長短剛性樁復合地基長樁、短樁、樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù)，得到了長樁、短樁、樁間土承載性狀與厚徑比的相關關系，長短剛性樁復合地基采用等厚徑比，使長樁、短樁和樁間土承載力都得到充分發(fā)揮是很困難的，且短樁承載力發(fā)揮較長樁更為充分。在等厚徑比試驗結果基礎上，對長短剛性樁復合地基變厚徑比設計進行了研究探討，認為長短剛性樁復合地基宜采用變厚徑比設計，降低長樁厚徑比、提高短樁厚徑比，讓長樁厚徑比小于短樁。變厚

2、徑比設計可采用等褥墊厚度變樁徑（長樁樁徑取大值）或等樁徑變褥墊厚度（長樁選用較薄褥墊）來實現(xiàn)。關鍵詞：長短樁；剛性樁復合地基；承載力發(fā)揮系數(shù)；厚徑比；變厚徑比設計中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：作者簡介：佟建興（1974），男，河北徐水人，博士，副研究員，現(xiàn)在中國建筑科學研究院地基基礎研究所從事地基處理領域研究開發(fā)工作。Experimental study on pile soil bearing behavior and thickness-diameter ratio of long short pile composite foundationTONG Jian-xing, SUN

3、 Xun-hai, YANG Xin-hui, WANG Ming-shan, LUO Peng-fei(Institute of Foundation Engineering,China Academy of Building Research, Beijing 100013,China)Abstract: The bearing behavior such as long pile, short pile, load share ratio of soil between piles, pile-soil stress ratio and mobilization factor of be

4、aring capacity are measured in the indoor model tests of piles with constant thickness-diameter ratio. The bearing capacity of long pile, short pile and the soil between piles cannot be fully mobilized at the same time. Besides, the bearing capacity of short pile is mobilized more than that of long

5、pile. On the basis of the analysis of the constant thickness-diameter ratio test results, the design of long-short rigid pile composite foundation with varying thickness-diameter ratio is investigated. It is believed that varying thickness-diatmeter ratio, reduction of thickness-diameter of long pil

6、e and increase of thickness-diameter of short pile is suitable for the long-short rigid pile composite foundation. The varying thickness-diameter ratio can be realized by constant cushion thickness and varying pile diameter, in which the diameter of long pile is bigger. Otherwise it can be realized

7、by constant pile diameter and varying cushion thickness, in which the thinner cushion of long pile is selected.Key words: long short pile; rigid pile composite foundation; mobilization of bearing capacity; thickness-diameter ratio; varying thickness-diameter ratio design0 引 言復合地基中的豎向增強體習慣上稱為樁，由兩種或兩種

8、以上樁型組成的復合地基稱為多樁型復合地基。隨著復合地基技術的發(fā)展和完善，基于對樁體在復合地基中荷載傳遞機理和變形控制的認識深入，2000年以來，多樁型復合地基開始常見于國內工程應用中，解決了某些情況下單一樁型復合地基所不能解決的問題，取得了良好的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益1-2。復合地基承載力由樁承載力和樁間土承載力組成，它的大小取決于樁和樁間土承載力的發(fā)揮。當荷載達到復合地基承載力特征值時，定義復合地基中樁承擔荷載與單樁承載力特征值之比為樁承載力發(fā)揮系數(shù)，以表示；樁間土承擔荷載與樁間土承載力特征值之比為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，以表示。則有式（1）、式（2）： （1） （2）式中，Ra為單樁承

9、載力特征值（kN）；fsk為加固后樁間土承載力特征值（kPa）；Pp、ps分別為復合地基達到承載力時樁受的集中力（kN）和樁間土受的應力（kPa）。通常，對于單一樁型剛性樁復合地基，承載力可用式（3）表示： （3）式中，fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；Ap為樁的截面積；A為單根樁承擔的面積（m2）；As為樁間土面積（m2）；m為面積置換率。對于多樁型剛性樁復合地基，曾提出如下承載力計算公式1-5： （4）式中，fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；fsk為加固后樁間土承載力特征值（kPa）；Ra1、Ra2分別為主控樁、輔樁單樁承載力特征值（kN）；Ap1、Ap2分別為主控樁、輔樁

10、的截面積（m2）；m1、m2分別為主控樁、輔樁的面積置換率；1、2、分別為主控樁、輔樁、樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)。式（3）、式（4）中通過定義樁和樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，考慮了復合地基工作狀態(tài)下樁和樁間土承載力發(fā)揮程度。復合地基達到承載力特征值時，樁和樁間土同時達到各自的承載力特征值是最理想的，此時=1（單一樁型）或1=2=1（多樁型）。問題是樁和樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)與哪些因素有關，復合地基中樁、樁間土承載力發(fā)揮有何特點，如何調整復合地基參數(shù)來發(fā)揮樁的承載力，什么條件下才能保證樁和樁間土同時接近或達到各自的承載力特征值。試驗表明6-9，足夠剛度基礎下，樁、樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)與復合地基設計參數(shù)樁長、

11、樁徑、樁距、褥墊厚度和樁間土性狀等有關，其中，褥墊厚度與樁徑之比（定義為厚徑比）對樁、樁間土承載力發(fā)揮影響尤為顯著。本文通過室內模型試驗，實測得到在文中試驗條件下，長短剛性樁復合地基的長樁、短樁、樁間土承載性狀，給出長短剛性樁復合地基的長樁、短樁、樁間土承載力發(fā)揮與厚徑比的相關關系，探討長短剛性樁復合地基變厚徑比設計思路。1 模型試驗概述模型試驗地點為中國建筑科學研究院地基基礎研究所模型試驗室，試驗在人工填土地基中進行。試坑挖至-3.0m原狀土層，回填土采用粘質粉土，過篩分層回填并用木夯夯實，控制含水量為16%，按每層虛鋪25cm、夯實至20cm控制。取原狀土和回填土做試驗，測得土的物理力學指

12、標見表1。表1 土的基本物理力學指標Table 1 the basic physical mechanical properties of soil深度（m）比重G密度(g/cm3)干密度d(g/cm3)含水量w(%)孔隙比e液限Wl(%)塑限Wp(%)塑性指數(shù)Ip(%)壓縮系數(shù)12(MPa-1)壓縮模量Es(MPa)土性0.03.02.71.831.5815.80.71325.716.98.80.286.58粘質粉土3.03.52.72.021.6721.20.62024.816.28.60.1312.46粘質粉土試驗內容包括天然地基載荷試驗1臺、CFG樁單樁載荷試驗4臺、單一樁型CFG樁復

13、合地基載荷試驗4臺、長短CFG樁復合地基載荷試驗4臺。長樁樁長為3.2m，短樁樁長為1.6m，樁徑為150mm，樁身混凝土強度等級為C25，樁間距為3.5倍樁徑，正方形布樁，采用人工洛陽鏟成孔、灌注預拌混凝土并用振搗棒搗實成樁，養(yǎng)護齡期28天。挖槽鋪設褥墊層形成側限條件，鋪設面積與承壓板面積相同。褥墊層材料選用中、粗砂，過篩后以相同落距落下，夯填度按0.85控制。1-1#、1-2#、4-1#試驗褥墊層厚度為10cm，1-3#1-7#試驗褥墊層厚度分別為5cm、10cm、20cm、40cm和50cm。褥墊層鋪設完畢后，承壓板就位。用振弦式壓力盒量測復合地基樁頂及樁間土應力，采用剛性變形標量測樁及

14、樁間土變形。用數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)。先對天然地基和各單樁逐一進行加載，直至破壞，最后進行單一樁型復合地基和長短樁復合地基載荷試驗。主要試驗內容及參數(shù)見表2。表2 模型試驗內容及參數(shù)Table 2 Model test programme and parameters試驗分類試驗編號試驗類型承壓板尺寸(m2)樁長（m）褥墊厚度(cm)天然地基4-2#天然地基1.575×1.575/單樁1-8#單樁/1.6/1-9#單樁/1.6/1-10#單樁/3.2/1-11#單樁/3.2/單一樁型復合地基1-1#4樁復合地基1.05×1.051.6101-2#4樁復合地基1.05×

15、1.053.2101-7#4樁復合地基1.05×1.053.2504-1#9樁復合地基1.575×1.5753.210長短樁復合地基1-3#長短4樁復合地基1.05×1.051.6、3.251-4#長短4樁復合地基1.05×1.051.6、3.2101-5#長短4樁復合地基1.05×1.051.6、3.2201-6#長短4樁復合地基1.05×1.051.6、3.2402 試驗結果分析2.1 天然地基、單樁、復合地基載荷試驗圖1為CFG樁單樁荷載-沉降曲線，1.6m短樁、3.2m長樁單樁承載力特征值分別為12.5kN、25kN。圖2為天

16、然地基和單一樁型CFG樁復合地基荷載-沉降曲線，按相對變形值s/b=0.01確定承載力特征值10-11，天然地基、1-1#、1-2#、1-7#和4-1#試驗承載力特征值分別為110kPa 、138kPa、182kPa、127kPa、175kPa。圖1 單樁Q-s曲線Fig. 1 Q-s curves of single pile圖2 天然地基、單一樁型復合地基p-s曲線Fig. 2 p-s curves of natural and composite foundation本次試驗長短CFG樁復合地基荷載-沉降曲線見圖3，按相對變形值s/b=0.01確定復合地基承載力特征值見表3?？梢钥闯?，隨

17、著褥墊層厚度增加，長短樁復合地基承載力降低。圖3 長短CFG樁復合地基p-s曲線Fig. 3 p-s curve of long short CFG pile composite foundation表3 長短樁復合地基厚徑比、承載力特征值Table 3 Bearing capacity characteristic value and thickness-diameter ratio of long short pile composite foundation試驗編號褥墊厚度（cm）樁徑（mm）厚徑比fspk（kPa）1-3#51500.3331771-4#101500.6671621-5

18、#201501.3331521-6#401502.6671332.2 單一樁型復合地基樁、土承載力發(fā)揮表4給出了不同厚徑比條件下，單一樁型剛性樁復合地基達到其承載力特征值時，樁、樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)。表中MD-1#、MD-3-4#、5#均為室內模型試驗2,6，4#樓為工程實測12。表4 單一樁型剛性樁復合地基樁、土承載力發(fā)揮系數(shù)Table 4 Pile soil bearing capacity mobilization factor of rigid pile composite foundation試驗編號褥墊厚度(cm)樁徑（cm）厚徑比MD-1#62150.1332.070.674#樓

19、121541.50.3611.060.881-1#10150.6670.801.061-2#10150.6670.811.095#210150.6670.681.15MD-3-4#610150.6670.811.014-1#10150.6670.901.051-7#50153.3330.371.11可以看出：厚徑比越大，樁承載力發(fā)揮系數(shù)越??；當厚徑比0.361時，樁承載力能夠充分發(fā)揮，樁間土承載力不能充分發(fā)揮，如厚徑比為0.133時，達到2.07，達到自由單樁的極限承載力，而僅為0.67；厚徑比0.667時，樁間土承載力都能充分發(fā)揮，樁承載力發(fā)揮系數(shù)均小于1；當厚徑比等于3.333時，樁承載力

20、發(fā)揮系數(shù)只有0.37。圖4 單一樁型復合地基樁、土承載力發(fā)揮與厚徑比關系曲線Fig. 4 Relation between mobilization of pile soil bearing capacity and thickness diameter ratio圖4為單一樁型剛性樁復合地基達到其承載力特征值時，樁、樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)與厚徑比關系曲線。可以看出，褥墊厚度增加即厚徑比增加，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)提高；樁承載力發(fā)揮系數(shù)減小。單一樁型剛性樁復合地基最佳厚徑比為0.40.6之間；厚徑比在此范圍內為0.820.98，為0.931.06。2.3 長短樁復合地基樁、土承載力發(fā)揮表5給出了不

21、同厚徑比條件下，長短CFG樁復合地基荷載水平達到其承載力特征值時，長樁、短樁和樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)。表5 長短CFG樁復合地基樁、土承載力發(fā)揮系數(shù)Table 5 Pile soil bearing capacity mobilization factor of long short CFG pile composite foundation試驗編號褥墊厚度（cm）樁徑（cm）厚徑比121-3#5150.3331.541.710.611-4#10150.6670.650.961.171-5#20151.3330.490.711.081-6#40152.6670.400.670.91可以看出，等厚

22、徑比下，長短樁復合地基荷載達到其承載力特征值時，長樁、短樁和樁間土承載力不能同時得到充分發(fā)揮（接近、達到或稍高于其承載力特征值），且短樁承載力發(fā)揮較長樁更為充分。厚徑比為0.333時，長樁和短樁承載力均出現(xiàn)過量發(fā)揮，接近甚至達到其自由單樁極限承載力，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)僅為0.61；厚徑比為0.667時，長樁、短樁承載力發(fā)揮系數(shù)分別為0.65和0.96，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)為1.17，短樁承載力發(fā)揮適宜，樁間土承載力發(fā)揮充分，而長樁承載力仍有較大發(fā)揮空間；厚徑比1.333時，長樁、短樁承載力發(fā)揮系數(shù)均較低，樁的承載能力均未得到充分發(fā)揮。圖5為長短樁復合地基荷載水平達到其承載力特征值時，長樁、短

23、樁和樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)與厚徑比關系曲線?？梢钥闯觯群駨奖认?，長短CFG樁復合地基適宜的厚徑比應在圖中粗線范圍內，為0.50.6之間。在此范圍內，長樁承載力發(fā)揮系數(shù)1為0.750.98，短樁承載力發(fā)揮系數(shù)2為1.041.25，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)為0.981.12。圖5 長短樁復合地基樁、土承載力發(fā)揮與厚徑比關系曲線Fig. 5 Relation between mobilization of pile soil bearing capacity and thickness diameter ratio通過上述長短樁復合地基樁、土承載力發(fā)揮與厚徑比相關關系的分析，長、短樁復合地基采用等厚徑比

24、，當長短樁復合地基荷載達到其承載力特征值時，可以得出以下三點認識：（1）厚徑比為0.50.6下，樁間土承載力發(fā)揮適宜，短樁承載力出現(xiàn)過量發(fā)揮，長樁承載力仍有較大發(fā)揮空間；（2）調整厚徑比大小使得長樁、短樁和樁間土承載力都得到充分發(fā)揮是很困難的；（3）短樁承載力發(fā)揮較長樁更為充分。3 長短剛性樁復合地基變厚徑比設計綜上所述，長短剛性樁復合地基采用等厚徑比下，長樁、短樁和樁間土承載力不能同時得到充分發(fā)揮；厚徑比為0.50.6下，樁間土承載力發(fā)揮適宜，短樁承載力出現(xiàn)過量發(fā)揮，而長樁承載力仍有較大發(fā)揮空間。不妨對長樁和短樁采用不同厚徑比的變厚徑比設計，即降低長樁厚徑比、提高短樁厚徑比，讓長樁厚徑比小于

25、短樁，使長、短樁承載力均能得到較好的發(fā)揮。長短樁復合地基變厚徑比設計主要有兩種思路：一是褥墊層厚度一定，通過長、短樁采用不同樁徑來改變厚徑比；二是樁徑一定，長樁、短樁分別采用不同厚度褥墊層，改變厚徑比。此外，長樁、短樁也可分別采用不同的褥墊層厚度和樁徑，來改變厚徑比。圖6（a）為按變褥墊層厚度設計的長短剛性樁復合地基示意圖。圖中d為長樁和短樁直徑，H1、H2分別為為長樁和短樁處理面積范圍內褥墊層厚度。也可按圖6（b）簡化設計。 （a）按長、短樁處理面積變褥墊層厚度（b）僅短樁樁頂變褥墊層厚度圖6 變褥墊層厚度長短剛性樁復合地基示意Fig 6 Schematic diagram of long

26、short rigid pile composite foundation with varying cushion thickness圖7（a）為按變樁徑設計的長短剛性樁復合地基示意圖。圖中H為褥墊厚度，d 1、d 2分別為長樁和短樁直徑。此外，如圖7（b）所示，褥墊層厚度一定，長、短樁樁徑相同，但是長樁為帶帽樁，通過增大樁頂截面面積獲取較小厚徑比，也屬于變樁徑設計。 （a）長、短樁樁徑不同（b）樁徑相同、長樁帶帽圖7 變樁徑長短剛性樁復合地基示意Fig. 7 Schematic diagram of long short rigid pile composite foundation wi

27、th varying pile diameter4 結論本文以模型試驗為基礎，對長短剛性樁復合地基樁、土承載性狀與厚徑比相關關系進行了研究。在本文試驗條件下，得到以下幾點主要結論：（1）單一樁型剛性樁復合地基最佳厚徑比為0.40.6之間；厚徑比在此范圍內，荷載達到復合地基承載力特征值時，有=0.820.98，=0.931.06。（2）足夠剛度基礎下，長短剛性樁復合地基的厚徑比對長樁、短樁、樁間土承載性狀影響非常顯著。（3）長短剛性樁復合地基采用等厚徑比，使長樁、短樁和樁間土承載力都得到充分發(fā)揮是很困難的，且短樁承載力發(fā)揮較長樁更為充分；厚徑比為0.50.6下，荷載達到復合地基承載力特征值時，有

28、1=0.750.98，2=1.041.25，=0.981.12。（4）為使長樁、短樁、樁間土承載力均得到充分發(fā)揮，長短剛性樁復合地基宜采取變厚徑比設計，降低長樁厚徑比、提高短樁厚徑比，讓長樁厚徑比小于短樁。變厚徑比設計可采用等褥墊厚度變樁徑（長樁樁徑取大值）或等樁徑變褥墊厚度（長樁選用較薄褥墊）來實現(xiàn)。本文提出的長短剛性樁復合地基變厚徑比設計方法、參數(shù)、施工及檢測等，將另文進行深入討論。參考文獻：1 閆明禮，張東剛，CFG樁復合地基技術及工程實踐（第二版）M，中國水利水電出版社，2006. (YAN Ming-li, ZhANG Dong-gang. CFG pile composite fo

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