柔性桩复合地基桩土应力比试验研究

◎ 张蕾 南京供电公司邓方骅 福建省龙岩市上杭县供电公司刘欢 南京供电公司



柔性桩复合地基桩土应力比试验研究

◎ 张蕾 南京供电公司
邓方骅 福建省龙岩市上杭县供电公司
刘欢 南京供电公司

摘 要：桩土应力比是衡量桩土之间的荷载分配和变形协调的重要指标，本文从理论上分析了路堤荷载下桩土应力比的主要控制因素，研究了荷载从土体向桩体转移的三种途径：承台板，加筋垫层和负摩阻力，并通过大量现场试验数据，得出搅拌桩复合地基桩土应力比与荷载大小和加载时间的变化关系，分析了搅拌桩承担荷载规律，同时通过现场试验发现了复合地基中桩周土上土压力分布很不均匀，建议按照桩上压力值反算桩间土压力值。

关键词：柔性桩 复合地基 桩土应力比 荷载分布

复合地基是常用的软基处理方法之一，荷载主要由土体与增强体共同承受。桩顶部应力与其周围土的应力的比值称为桩土应力比，桩土应力比是衡量桩土之间的荷载分配和变形协调的重要指标，其值能够预测出复合地基以何种模式破坏。刚性桩复合地基中若存在承台或托板，承台或托板相当于扩大了桩的直径，桩体将承受大部分荷载，若此时计算桩土应力比还按照原有桩径，则会出现桩土模量比小于桩土应力比的情况，此时复合地基工作状况将类似于疏桩基础。

目前采用的复合地基设计方法是根据桩土变形相等的假设而得出的，即n=Ep/Es，但根据此方法计算出的结果与工程实测结果相差较大，原因复合地基的基本原则是桩及桩周土共同承受荷载，而要桩土共同承受荷载桩土间必须允许出现位移差，存在位移差，荷载才会在桩土之间进行应力再分配。目前研究得到的桩土应力比变化范围跨度很大，以常用的搅拌桩复合地基为例，取值范围从1到10不等，没有考虑基础（荷载）刚度对桩土应力比的影响，尤其对柔性基础（路堤荷载）下桩土应力比研究较少。

1.理论分析

在柔性基础复合地基（路堤荷载）下，桩土应力比在荷载的施加瞬间为1。褥垫层的弹性模量必须大于基础的弹性模量，其主要作用是为了限制桩土间产生相对位移差，将荷载从土体向桩体转移。柔性基础不具有使桩土协调变形的能力，因此无法将荷载向桩体转移，所以柔性基础桩土应力比要比刚性基础下偏小许多，在这种基础下，桩土应力比主要受桩体刺入量控制，所以随着褥垫层厚度变大，桩体的刺入量将变小，桩土应力比就变大。桩土应力比随着褥垫层弹性模量的增大而增长。

2.现场试验

为了研究刚柔复合地基在路堤荷载下的桩土应力比，在某高速公路软基试验段进行现场试验，试验内容主要是测定桩及桩周土的应力。在搅拌桩区进行试验，搅拌桩桩径为50cm，水泥标号425#。桩间距为1.2m，桩长10m，以穿透软土层进入硬土层0.5m为准，布桩方式为梅花形。桩顶部铺设30cm厚细砂，然后铺钢塑格栅。此次试验段在搅拌桩区路基位置设计埋设双层共六个土压力盒，如图1所示。

3.试验结果分析

搅拌桩区格栅下桩土应力比见图2，桩土应力比与荷载和时间的关系有如下特征：

（1）在加载初始时，加载高度较小，荷载较小，桩及桩周土承担的荷载较小，桩土应力比取值也较小，加载高度达到1.5m以前，桩土应力比保持在1.2左右，变化不大。说明加载较小时，桩及桩周土间基本没有沉降差，荷载较小时，砂垫层还不能有效的调节荷载，桩和土的压力保持一致。当加载高度超过1.5m，随着荷载的增加桩土应力比增长迅速，当加载高度达到2.48m时到出现一个峰值，桩土应力比分别达到19.3、9.4。说明荷载增大，桩土间沉降差变大，软弱下卧层内附加应力增大，上部所加荷载通过垫层快速由土体向桩体转移，从而桩承担了大部分荷载，而土体承担荷载较小，桩土应力比增大。

图2 搅拌桩区格栅下桩土应力比变化曲线

图3 搅拌桩区格栅上桩土应力比变化曲线

（2）当加载高度超过2.48m，桩土应力比没有继续增大，反而开始不断减小，其减小的趋势一直持续到全部荷载加载10天左右。分析原因，认为在此阶段内桩和桩间土所承担的荷载均随着所加荷载的增加而增加，但土体荷载增加的速度比桩顶荷载的增加幅度要大。当加载达到一定高度，桩体应力增大，桩体本身在受到较大应力下将发生比较明显的压缩变形，而且土体的变形往往发生在深层部位，从而使得桩土应力比增加的比较滞后，也就出现了上述桩土应力比随荷载增大而由大变小的现象。

（3）在加载高度达到4m，10天后桩土应力又开始逐渐增加，桩土应力比的最大值也在该阶段出现，分别达到25、13。该阶段，试验已进行100天以上，桩体发生了明显的沉降，桩侧阻力随着桩体的沉降而增大，桩端阻力基本不变，从而桩体承担的总荷载增加显著，此时桩周土体沉降加大，上部荷载由土体向桩体转移。桩周土的弹性模量随着土体的固结增大，当加载达到较长时间后，桩土应力比再次出现减小的趋势。

搅拌桩区格栅上桩土应力比见图3，桩土应力比与荷载和时间的关系有如下特征：

由图中可以看出，桩土应力比变化不大，基本稳定在某一值，4#/5#和6#/5#的桩土应力比分别稳定在1.0和1.5左右。查阅相关勘察资料，两者的桩土应力比存在差别主要是因为所处位置地基土的差异。加载初期，荷载会逐渐向桩顶调整，但这种调整幅度是不大的。当一次性加载高度在1.35m后，桩土应力比开始变小，6#/5#桩土应力比甚至出现小于1.0的情况。

本次试验桩间土压力采用桩间土中心处的压力，根据试验得到的数据，对填砂高度进行反算，见表1。从中可见得到如下结论，格栅上桩顶荷载的平均值较格栅下平均值大51.25kN，多出的荷载就是加筋垫层转移的部分，考虑到该荷载应扣除桩顶所对应的均布荷载，桩顶由桩间土转移的荷载实际只有33.1kN。从表中可以看出，反算后得到的填砂高度比实测得到的填砂高度要低，除了1#/2#反算得到的填砂高度大于实际填砂高度外，其余三组反算高度数据都小于实测高度值，从而证明了桩间土平均土压力高于桩间土中心处土压力，这与武崇福等人得到的结论是一样的。为了减少计算误差，有必要对计算结果进行适当的修正，修正过程中首先假定桩顶土压力是准确的，继而通过每根桩加固面积上受到的总荷载，计算出该桩加固范围内的平均土压力。根据上述方法，计算结果见表2，可以看出推算出的桩间土平均压力远大于原桩间中心土压力值，从而证明桩间土压力分布是不均匀的，在今后安置土压力盒时这点是必须考虑进去的。表2中计算得到的桩土应力比为5.8，需要指出该值只是桩顶位置处的指，桩顶以下与桩顶不同，土体会继续向桩体转移荷载。

表1 搅拌桩区填砂高度反算值

表2 修正后的搅拌桩区桩土应力比

4.结语

（1）桩体模量、桩长、土体性质是决定桩土应力比的最重要的要素。托板、褥垫层、土工隔栅和桩侧负摩阻力是柔性基础下荷载从土体向桩体转移的主要途径，因此施工过程中要按照土体与桩体的基本性质，正确的分配各部分，达到复合地基中增强体与土体能够共同协同承受上部荷载。

（2）在逐渐加载的过程中，搅拌桩的桩土应力比总体呈逐渐增大的趋势；但在加载中期，由于土体变形往往发生在深层部位，其压缩变形较慢，而桩体压缩变形相对较快，短时间内会出现桩土应力比随荷载增大而减小的现象。

（3）桩周土上土压力分布在复合地基中很不一致，现场实测得到的土压力值代表性较差，同时准确性不高，因此建议根据桩体上压力值反算得到桩间土压力值。

参考文献：

［1］地基处理手册（第二版）编写委员会.地基处理手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.

［2］陈希哲.土力学及基础工程［M］.北京：中央广播电视大学出版社，1995：326-327.

［3］赵明华，龙军，张玲等.不同型式复合地基试验对比分析［J］.岩土工程学报，2013，35（4）：611-618.

［4］刘吉福.路堤下复合地基桩，土应力比分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（4）：674-677.

［5］马时冬.水泥搅拌桩复合地基桩土应力比测试研究［J］.土木工程学报，2002，35（2）：48-51.

［6］武崇福，郭维超.刚性桩复合地基桩间土拱效应分析及桩土应力比计算［J］.施工技术，2015（1）：67-72.