軟土中群樁的現場模型試驗研究

0減沉復合疏樁基在天然土壤負荷滿足或差異較小時，采用稀疏摩擦樁，降低沉降，提高樁超載。當樁超載和單元之間的壓力（相應的負荷范圍）減小時，采用共稀釋樁和單元間土壤的組合負荷（相應的臺區面積減小）。它被稱為減少沉降和復合擴散樁基基或沉降的復合樁基。上海地區自20世紀80年代末由黃紹銘等倡導推廣應用這種基礎形式以來，目前已成功建成數百萬平米多層建筑，溫州、天津等地也相繼應用，并積累了一定經驗。該種基礎形式由Zeevaert于1973年提出，其后Burland在第九屆國際土力學與基礎工程會議的綜合報告中也曾提及。上述論文中均未涉及具體的設計計算方法，但提到這種樁應具備足夠的“韌性”，即當沉降增至很大（s>10～20cm）時，其樁身受壓承載力仍能確保土提供的支承阻力能發揮至極限。這就要求樁身承載力具有較高的可靠性，樁端持力層不能太剛硬，容許樁端發生較大刺入變形。關于減沉復合疏樁基礎的設計計算方法目前尚不統一，主要原因是對這種樁基在工作荷載下樁–土–承臺的相互作用機理、承臺和樁的荷載分擔、沉降性狀等的研究還相對滯后。就設計框架而言，大體可分為兩大類：(1)按簡化模式求沉降–樁數曲線，確定樁數，然后計算樁基承載力和沉降，如《上海市地基基礎設計規范》；(2)以承載力控制為先導，沉降量計算為后續。顯然，兩類方法都應滿足承載力和變形兩類極限狀態。本文以軟土地基大型模型試驗為依據，對復合疏樁基礎的承載力和沉降變形特性進行分析，提出減沉復合疏樁基礎的設計、沉降計算模式，最后以實際工程進行驗證。1軟土組合稀疏土的支撐和沉降特性1.1樁距及土壓力測量試驗場地地層為淤泥質粉質黏土，承載力特征值fak=40kPa；樁為Ф100mm鋼管，樁長4.5m,l/d=45；先鉆Ф80mm孔，然后靜壓沉樁；樁距sa=3d,4d,6d，樁數n=3×3,4×4；每組群樁有對應單樁試驗。試驗樁由5段無縫鋼管組成，接頭處設置荷載傳感器，側定樁頂、樁端、樁身荷載；承臺底埋設壓力盒測定土壓力；采用SONDEX沉降儀結合予埋于樁間土中蛇形管測試分層沉降。1.2不同樁距群樁樁阻特性從圖1,2看出，軟土中群樁的平均極限側阻力平均值隨樁距增大而增大，極限端阻力平均值隨樁距增大而減小。也就是說，承臺–樁–土相互作用對側阻力產生削弱效應，對端阻產生增強效應。樁距6d條件下，這種群樁效應仍然存在，但主要表現為發揮側阻和端阻極限值所對應的位移加大，其側阻極限值接近于單樁，端阻極限值仍高于單樁。由圖3所示，不同樁距群樁的p–s和相應單樁nq–s（群樁樁數n=16）曲線可見，樁距sa=6d群樁的極限承載力pu>16qu，但群樁效應導致沉降遠大于單樁，其pu–s轉化為緩變型。這種性狀變化對復合疏樁基礎工程而言是有利的，上述側阻和端阻的群樁效應說明疏樁基礎的承載力可取單樁承載力之和確定。1.3承臺與平板平均土反力–沉降關系圖4所示為不同樁距承臺（樁距sa=3d、4d、6d，樁數n=4×4，承臺面積A=1.2m×1.2m,1.5m×1.5m,2.1m×2.1m）和平板（A=1.5m×1.5m）載荷試驗的平均土反力–沉降關系。從中看出，承臺與平板平均土反力–沉降曲線型態不同，前者隨沉降增大而增強，后者隨沉降增大而逐漸屈服。這種現象隨樁距增大而更趨明顯，這對發揮疏樁基礎樁間土的荷載分擔作用是有利的。另外，圖4還表明，大樁距（sa=6d）的承臺效應系數ηc最大值（對應于s=40mm）僅為0.5左右，遠低于一般黏性土、粉土承臺效應系數ηc=0.7～0.9。這可能由于軟土靈敏度大且受到擾動，以及澆注承臺前沉樁引起的超孔隙水壓力尚未消散所致。1.4樁間土沉降變形根據分層沉降測試結果，將大、小樁距樁間土、樁底平面以下土的分層沉降表示于圖5。從中看出，對于小樁距（3d）群樁，在工作荷載（p=pu/2=205kN）下，樁間土基本無壓縮變形，即樁、土呈整體沉降；超過該荷載后，樁端以上約1/3樁長范圍內樁間土出現壓縮，并隨荷載增大而增大；對于大樁距（6d）群樁，在工作荷載（p=pu/2=320kN）下，樁間土的壓縮引起的沉降占90%以上。2滿足承載力和變形兩種極限狀態顯然，減沉復合疏樁基礎是以減小沉降為目標，但同時在調整承臺面積后，應滿足承載力和變形兩種極限狀態。由于沉降計算需在承臺面積和樁數確定條件下進行，故先行按承載力公式確定承臺面積和樁數，然后計算沉降，計算結果不符合要求再調整樁數。2.1基樁承載力特征值復合疏樁基礎的極限承載力可為由式（1）左右邊除以樁數和安全系數k=2，得復合基樁承載力特征值：式（1）、（2）中，n為樁數，uq為單樁極限承載力，ηc為承臺效應系數，fu為軟土地基極限承載力，fak為地基承載力特征值，aR為單樁承載力特征值，Ra=qu/2,A為承臺總面積，cA為單一基樁對應的承臺面積。2.2承臺承載力的確定減沉復合疏樁基礎通常將承臺設計為條形，面積控制系數取ξ≥0.60（筏形承臺ξ=1.0），由此得承臺總面積：復合樁基承載力應滿足：由此得樁數：式（3），(5）中，kF,kG分別為荷載效應標準組合下作用于承臺頂面的豎向力和承臺及其上土重標準值。32.復合稀疏基本設計步驟：沉降計算3.1復合疏樁基礎樁間土的壓縮和沉降鑒于復合樁基承臺底樁、土沉降協調，由圖5可以看出，大樁距條件下，樁基沉降計算可取兩種模型：(1)如同常規樁基那樣，計算樁端以下土的壓縮量；(2)計算樁間土的沉降。對于前者要涉及樁端塑性刺入，在理論上難以解決，而復合疏樁基礎樁間土的壓縮占總沉降量的絕大部分，故采用計算樁間土的壓縮沉降模型。樁間土的沉降為承臺底附加壓力壓縮量ss與樁土相互作用增沉量ssp之和。復合疏樁基礎中點沉降為(1)基樁沉降變化影響式（5）中承臺底土反力產生的沉降為式（6）～（8）中：zi,zi-1為基底至第i層、第i-1層土底面的距離（見圖6）；為基底至第i層、第i-1層土層底范圍內的角點平均附加應力系數；根據承臺等效面積的計算分塊矩形長寬比a/b及深寬比zi/b=2zi/Bc，由有關規范附錄表確定；取承臺等效寬度,A為承臺總面積，B,L為建筑物基礎外緣平面的寬度和長度；引入承臺總等效寬度和長度的目的在于簡化承臺荷載相互影響的計算；Esi為基底以下第i層土的壓縮模量，應取自重壓力至自重壓力與附加壓力段的模量值；m為地基沉降計算深度范圍的土層數；沉降計算深度按σz=0.1σc確定（σz為附加應力，，其中p0j為1/4分塊平均附加壓力，aj為j分塊角點下附加應力系數）；0p為按荷載效應準永久值組合計算的假想天然地基平均附加壓力；F為荷載效應準永久組合下作用于基底的總附加荷載；ηp為考慮基樁刺入變形對承臺土反力的影響系數；按樁端持力層土質確定，砂土為1.0，粉土為1.15，黏性土為1.30；ψ為沉降計算經驗系數，無當地經驗時，可取1.0。樁–土相互影響，由于摩擦型樁的端阻力很小，僅考慮側阻力的影響。由剪切位移法，離樁中心線r處的豎向位移為式中，τ0為樁側阻力平均值，0r為樁半徑，sG為土的剪切模量Gs=E0/2(1+v)，v為泊松比，軟土取v=0.4,0E為土的變形模量，,sE為土的壓縮模量，mr為樁側土剪切位移最大半徑，軟土mr=8d(d為樁直徑）。將式（9）積分得樁側碟形位移體積：由于有一定剛度的承臺對土位移起均化作用，故樁土相互作用引起的承臺平均沉降，可將樁側位移體積除以碟形沉降面積π(rm2-r02)求得，當mr大于等效樁距時，引入近似重疊系數，且令，則考慮到rm=8d>>r0，且v=0.4，式（11）可簡化為式中，d為樁徑，方形樁d=1.25b(b為方形樁截面邊長），為等效距徑比，對于圓形樁，，方形樁，。一般地，，樁側,d=0.4m。由式（11）得3.2沉降計算方法的文本驗證對收集到的14項減沉復合疏樁基礎工程實測沉降與按本文方法計算結果對比列于表1。結果表明，計算值與實測值符合程度較好。4樁身承載力驗算減沉復合疏樁基礎自加載起，存在樁頂荷載與樁間土荷載一定程度的轉換，故樁身滿足承載要求至關重要。樁身受壓承載力驗算式為式中N為荷載效應基本組合下的樁頂軸向壓力設計值；ψc為基樁成樁工藝系數，預制樁ψc=0.85，泥漿護壁灌注樁ψc=0.8;fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，Aps為樁身橫截面面積；fy′為縱向主筋抗壓強度設計值，sA′為縱向主筋截面面積；當樁頂以下5d范圍內箍筋未加密時，不宜計入縱筋的承壓作用。5復合疏樁基礎的特性(1）軟土地基復合樁基的平均側阻力因群樁效應而削弱，平均端阻力因群樁效應而增強。當樁距增大到6d時，其側阻力極限值趨近于單樁，端阻力極限值仍高于單樁，但發揮至極限值所需沉降均大于單樁。(2）軟土地基群樁承臺土抗力發揮值隨樁距增大而增大，但在6d樁距條件下仍受樁的影響，其承臺效應系數ηc僅為50%左右，低于一般黏性土、粉土和砂土。承臺土抗力與平板不同，呈現沉降硬化現象。(3）減沉復合疏樁基礎的極限承載力可取各單樁極限承載力之和，再加上樁間土極限承載力乘以承臺效應系數。(4）軟土復合疏樁基礎的沉降變形性狀明顯不同于小樁距群樁，后者在工作荷載下，樁、土基本呈整體沉降；復合疏樁基礎受荷后即出現樁間土壓縮