多桩复合地基中桩土应力分配关系的试验研究

陈 坤 张淑真

(1.湖南省勘查设计研究院，湖南 长沙 410117； 2.湖南岳常高速公路开发有限公司，湖南 岳阳 414000)



多桩复合地基中桩土应力分配关系的试验研究

陈 坤1张淑真2

(1.湖南省勘查设计研究院，湖南 长沙 410117； 2.湖南岳常高速公路开发有限公司，湖南 岳阳 414000)

通过多桩复合地基室内模型载荷试验，观测了多桩复合地基中桩土的应力分配关系，并分析了多桩复合地基中的桩及桩间土的受力特性，为多桩复合地基的进一步研究与工程实践提供了依据。

多桩复合地基，模型试验，荷载分担比，桩土应力比

0 引言

复合地基能够较好地利用增强体和天然地基的强度，使两者共同承担上部建筑物的荷载，因此具有经济适用和技术可行的特点，适合我国的国情，目前，它已成为一种常见的地基处理形式，在工程实际中得到了广泛的应用。随着复合地基的应用和研究的不断发展，出现了一种新的复合地基形式——多桩复合地基。多桩复合地基[1，2]指在形成复合地基过程中依桩体材料、桩径或桩长等因素的不同而分为不同的桩型，不同类型的桩在地基处理过程中呈现不同工作性能，具有了多桩的特点，从而形成的一种新的复合地基形式，其简要示意图见图1。

对于多桩复合地基的研究目前主要局限于其特例——长短桩复合地基[3-7]，它依长短桩复合地基的各桩的桩长及其作用，分为长桩和短桩。一般而言，短桩主要改善复合地基的承载性能，长桩主要改善复合地基的沉降性能，对复合地基的终沉降量具有较为重要的控制作用。对于三类桩及三类桩以上的多桩复合地基的承载性能和沉降性能的相关研究较少，各类型桩在复合地基中所起的作用不甚清楚，在其他方面的机理均尚未探明，这就限制多桩复合地基的理论研究及实际应用。为了进一步的研究多桩复合地基中各类型桩及桩间土的相互作用性能，促进多桩复合地基在理论的进一步发展，本文进行了室内模型试验研究，将桩依其长度分别称之为短桩、中桩和长桩。

1 室内模型试验的概况

室内模型试验的概况如下：土层为两层，下层为40 cm深的砂层，上部为60 cm深的红粘土；垫层采用5 cm厚的过筛细砂；桩长分别为30 cm，60 cm和90 cm，桩材为石灰桩、砂浆桩及混凝土桩三种，模型桩长及布桩形式分别见图2，图3。实验按规范进行。

2 试验的成果及分析

2.1 各桩及土顶应力随荷载的变化

在试验过程中，在桩顶及土顶埋设了多个土压力盒，其所测得的数据经过整理，得到各长度桩及土体顶面的压力变化曲线如图4，图5所示。

由图4可知：桩顶及桩间土顶应力均随荷载的增大而增大，单就压力随荷载增大而增大的速度及其在某一级荷载作用下所承担的荷载而言，持力层较好的60 cm桩>90 cm桩>土体>30 cm桩；90 cm与30 cm桩的应力值较为相近，增长速度也依此规律。这也说明，在多桩复合地基中，桩所承担的荷载与桩底所处的持力层状况有关；桩长对于其承载性能的影响并不起决定作用。

而由图5可以看出，在多桩复合地基中，在荷载作用下，虽为同长度的桩，但由于桩的材料不同，其所分得的应力会有较大的差异，该差异与其桩身模量有相当大的关系。石灰桩由于模量小于砂浆桩，故而在受荷过程中，其桩顶的应力小于砂浆桩，一直处于较低位置。该现象可推得，在不同材料的多桩复合地基中，高强度桩在改善地基承载力方面的作用要大于低强度桩。这在另一方面也与多桩复合地基的定义中将不同材料的桩划分为不同类型的桩的原则相一致。

2.2 桩土荷载分担比和桩土应力比的变化

桩土荷载分担比是反映桩土共同作用特性的最直观指标。其随上部荷载增加而改变，反映了在加荷过程的各个阶段桩承担的荷载与桩间土承担荷载的消长情况。试验过程中60 cm桩在荷载分担方面始终占主导作用，但随着上部荷载的增大，分担的比例相对变小，土体则有着较为明显的增大，而90 cm和30 cm桩变化不明显，但是也可看出有增长和减小的互增过程，反映了在复合地基受力过程中，应力是在各类型的桩及土之间不断的调整不断变化的，这也符合复合地基的典型特征，如图6所示。

在试验的过程中各桩型的桩土应力比均为不断变小的，其最终的稳定点相近。这是由于在受荷过程中，桩与土承担的荷载虽然均是不断增大的，但是其相对比值已逐渐变小，土的承载潜力不断发挥，应力逐渐在桩土之间相互传递，最终达到一定的平衡态，其试验结果曲线如图7所示。

2.3 承压板下土反力分布情况

在试验的过程中，通过在复合地基承压板下离桩体远近两处所埋设的两个土压力盒，测知板下土压力的分布。在开始荷载较低时，桩周与桩远处的土压力基本相当，即土压力分布基本均匀。随着上部荷载的增加，中部和边处的差异逐渐增大，呈远处大于近处的现象。分析其原因为：一方面，桩体的存在改变了复合地基中的应力状态，在垫层的调节作用下，桩体产生上刺入，使靠近桩体的土反力小于远离桩体处的土反力；另一方面，中部变形相对于边处的土体变形要大一些，土反力与变形量成一定的正比关系，具体的土压力变化曲线见图8。

3 结语

本文在前人的研究基础上，通过多桩复合地基的模型试验所测数据，分析了多桩复合地基的各类桩及土在荷载作用下的承载特性及其变化规律，得出了如下结论：

1)多桩复合地基的荷载分担规律仍遵守广义复合地基理论。在承载受荷过程中，多桩复合地基的桩及土之间的应力是不断的调整、协调，并最终达到平衡的过程。

2)多桩复合地基中，具有良好持力层的中桩在承载过程中占据主导地位，其荷载分担比达50%以上，长桩和短桩则起加强多桩复合地基承载力的作用。

3)多桩复合地基中桩体模量对其承载性能有较大的影响，同长而模量不同的桩其承担的荷载具有较大的差异。

4)多桩复合地基承压板下的土体应力分布并不是均匀的，由于桩体的存在及其上刺入的发生，承压板下土体的应力分布大致依其位置距桩体的远近变化而变化，总体而言是离桩体愈近则土体应力较小。

[1] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3] 尚新生.多元复合地基工作机理及优化设计研究[D].西安：西安理工大学，2004.

[4] 周德泉，刘宏利，张可能.三元和四元复合地基工程特性的对比实验研究[J].建筑结构学报,2004,25(5):124-130.

[5] 周德泉，张可能，刘宏利.组合桩型复合地基桩、土受力特性的试验对比与分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24(5)：872-879.

[6] 周德泉，张可能，刘宏利.组合桩型复合地基计算与应用分析[J].岩土力学，2004，25(9)：1432-1436.

[7] 周德泉，赵明华，陈 坤，等.埋深组合群桩复合地基的沉降模式与模型试验验证[J].中南大学学报，2012，43(5)：1926-1931.

Experimental study on pile-soil stress ratio of multi-type-pile composite subgrade

Chen Kun1Zhang Shuzhen2

(1.HunanExplorationDesignResearchInstitute,Changsha410117,China; 2.HunanYue-ChangHighwayDevelopmentCo.,Ltd,Yueyang414000,China)

Based on the loading test data on multi-type-pile composite subgrade, stress of pile tips and stress of soil among piles are measured. The behavior of piles and soil in the multi-type-pile composite subgrade with load has also been analyzed. The results may give some help to the devlopment of design and practice of its new type composite subgrade.

multi-type-pile composite subgrade, model test, load sharing ratio, pile-soil stress ratio

1009-6825(2016)11-0071-02

2016-01-29

陈 坤(1982- )，男，硕士，工程师； 张淑真(1983- )，女，工程师

TU472

A