散体材料桩复合地基室内模型试验研究.pdf

材料与装备GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 〔 收稿日期 〕 2007 - 7 - 09 散体材料桩复合地基室内模型试验研究 王仙芝 1, 2 郑俊杰 1, 2 1. 华中科技大学土木工程与力学学院 2.华中科技大学控制结构湖北省重点实验室 摘 要 通过自行研发的试验装置,对散体材料桩群桩复合地基进行室内模型试验,从而得出了它们的一 些工作性状复合地基的荷载沉降曲线特征、 桩和土的应力特点、 桩土应力比特点、 荷载分担比曲 线特征等。从试验结果看出,在处理粉细砂类土,碎石桩稍优于砂桩。此外,还将碎石桩与砂桩 进行比较,得出散体材料桩复合地基的一些共性,为散体材料桩复合地基的理论研究与工程应用 提供了一些参考。 关键词 散体材料桩 复合地基 模型试验 桩土应力比 荷载分担比 碎石桩加固软基的方法是一种开发比较早的地 基加固处理技术 [1 ]。这种方法施工机具简单 ,操作 容易,材料来源广泛,造价比较低廉,已被广泛应用 于坝基、 道路、 建筑工程场地的软土地基加固和液化 地基的液化处理,是一种适合我国国情的适用性较 强的技术。它和砂桩桩身材料有相似之处,均属于 散体材料桩。 而砂桩法最早兴起于欧洲,当时主要用来加固 海积软土地基,后传入我国,在我国东南沿海地区, 大量采用此方法加固饱和软土地基,取得了良好的 经济、 社会效益 [1 ]。近十多年来 ,砂桩法在我国工 业与民用建筑、 交通、 水利等工程建设中得到了广泛 应用 [2 - 6 ]。工程实践表明 ,砂桩法用于处理松散砂 土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基,其挤密 或振动效果较好,不仅可以提高地基的承载力、 减小地基的沉降,而且可以防止砂土由于振动或地 震所产生的液化。砂桩处理饱和软弱粘性土地基 时,主要是置换作用,可以提高地基承载力和减小沉 降,同时,还起排水通道作用,能够加速地基的固结。 此外,还具有施工速度快、 效率高、 造价低等优点。 长期以来,模型试验一直是科研和工程技术人 员研究复合地基加固机理,探讨复合地基加固效果 的重要手段之一。对散体材料桩的研究也不例外, 如赵明华等 [7 ]以相似理论为基础 ,设计并完成了 一组较大型的室内碎石桩复合地基模型试验,得到 了碎石桩复合地基孔隙水压力、 桩土应力比的变化 关系;胡海燕 [8 ]通过对模型试验的分析 ,采用量纲 分析法导出了碎石桩复合地基模型试验的相似准 则,并以此设计了大比例室内模型试验,获得了有益 的试验数据,探讨了路堤沉降与路堤高度的关系、 桩 土应力比与加载次数的关系及桩身应力与桩侧摩阻 力沿桩埋深的关系; Wood D等 [9]通过变碎石桩桩 径、 桩长、 桩距来揭示碎石群桩复合地基的荷载传递 及变形规律,并将数值摸拟与物理摸拟相结合,从而 进一步补充和验证碎石桩复合地基的加固机理。以 上仅仅是对碎石桩复合地基作了一些试验研究工 作,并都是为了摸拟一定的工程地质条件而完成的, 而对散体材料桩复合地基的共同工作特性的研究目 前还很少 [10 - 11 ]。 因此,为了进一步揭示和完善散体材料桩复合 地基的共同工作特性,特设计、 完成了如下碎石桩、 砂桩室内模型系列实验,得到了一些关于散体材料 桩复合地基的一些共同工作特性,具有一定的理论 研究和工程应用价值。 1 模型试验介绍 111 模型试验装置 1总体装置本模型试验总体装置主要由加 压装置、 反力装置、 起吊设备、 模型箱及测读系统组 成。加压装置由液压千斤顶、 手摇式液压泵、 量力环 及压力表组成;测读系统主要由自动综合测试系统、 频率仪、 转换箱、 各种型号的土压力盒、 沉降标等组 成。 2模型箱模型箱如图1所示,主要由基础、 排水系统及箱体组成。箱体净长、 宽、 高为018m 018m112m,由普通钢板加工而成,内外均涂上防 锈漆。透水钢板及承压板均由3cm厚不透钢钢板 加工而成,承压板平面尺寸为015m015m。 47 岩土工程界 第11卷 第2期材料与装备 图1 模型箱试验装置简图 112 试验材料的选取 试验用的地基土取自武汉市徐东村附近长江边 的粉细砂类土,该类土的物理力学性质如表1所示。 试验用的褥垫层选用粗砂,含水量3121 ,垫层厚 度为50mm,密度为1165gcm - 3。 113 散体材料桩的制作及布置 碎石桩的施工是摸仿现场沉管碎石桩施工的方 法成桩的。碎石桩所用碎石为碎石类土中的角砾 土,其主要物理指标如下最大粒径为10mm,密度 为2100 gcm - 3 ,碎石桩桩长013m,设计桩径为 40mm,碎石桩的具体布置如图1和图2所示。此 外,图2还给出了碎石桩复合地基模型试验中土压 力盒的布置情况,其中桩顶上的土压力盒埋设于桩 顶中心,基土上的土压力盒埋于两桩之间的中点。 砂桩用砂为粗河砂,其主要物理指标如下含水量是 3121 ,密度为2100 gcm - 3 ,渗透系数为4112 10 - 2 cms - 1 ,比重为2166,砂桩桩长013m,设计 桩径为40mm。其制作方法与布置方式同碎石桩复 合地基,只需将图1和图2中的碎石桩换成砂桩。 114 试验步骤 为了反映散体材料桩复合地基的加固效果,本 试验首先进行单纯软土地基室内模型试验,再进行 图2 散体材料桩及压力盒平面布置 碎石桩复合地基的室内模型试验;为了获得散体材 料桩的一些共有工作特性,最后将碎石桩换成砂桩, 并且其主要参数保持不变,进行砂桩复合地基的室 内模型试验。为了确保可比性,单纯软土地基室内 模型试验除不设置碎石桩外,其它参数跟碎石复合 地基室内模型试验一致,同时也保持了仪器埋设、 加 载方式、 数据观测等一致。 2 模型试验结果与分析 本次试验得到了未加固基土、 碎石桩复合地基 以及砂桩复合地基三种情况下的p-s曲线,如图2 所示碎石桩、 砂桩复合地基各测点的应力随荷载变 化情况,桩土应力比随荷载变化情况,以及桩、 土荷 载分担比随荷载变化情况等一系列曲线。此外,还 将碎石桩与砂桩进行比较,得出散体材料桩复合地 基的一些工作性状,为散体材料桩复合地基的理论 研究与工程应用提供了一些参考。 211 荷载沉降曲线 在未加固基土、 碎石桩复合地基以及砂桩复合 地基三种情况下,荷载沉降即-曲线如图3所示。 从图3中可看出,在同级荷载作用下,碎石桩复 合地基比未设碎石桩的地基的沉降明显减小;碎石 桩复合地基的承载力明显高于未设碎石桩的承载 力。从图中还可看出,碎石桩与砂桩p-s曲线比较 相近,但由于桩材的不同,还是有一些差别两曲线 中间有一交点,交点荷载之前,在同级荷载作用下, 碎石桩复合地基的沉降高于砂桩复合地基的沉降, 表1 模型试验用土的参数 土类 密度 ρ/gcm - 3 含水量 w 比重 Gs 最优含水量 wop 最大干密度 ρ dmax/gcm - 3 压缩系数 av1 - 2/MPa- 1 压缩模量 Es/MPa 内聚力 c/MPa 内摩擦角 φ / 渗透系数 K/cms- 1 粉细砂1. 957162. 699. 761. 9550. 06523. 40. 02281. 2510 - 3 57 材料与装备GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 图3 p-s曲线 交点荷载之后则相反。从试验结果还可看出,在处 理粉细砂类土,碎石桩发挥的作用是比较显著的。 在控制两种桩型同密度条件下,碎石桩稍微优于砂 桩,而实际工程中,碎石桩的密度大于砂桩,则碎石 桩处理效果更加明显。 212 应力曲线 如图2所示的碎石桩复合地基角桩各测点应力 平均值σ11、 中心桩测点应力值 σ 12及两角桩之间中 点土的应力平均值σ10随荷载变化情况如图4所示, 另外图中还显示了砂桩复合地基角桩各测点应力平 均值σ10、 中心桩测点应力值 σ 02及两角桩之间中点 土的应力平均值 σ00随荷载变化情况。由试验结果 可知,碎石桩复合地基与砂桩复合地基对应各测点 应力的观测值变化规律一致,均随着荷载的增加而 增加,但碎石桩上各测点应力值比砂桩上对应各测 应力值高很多,这主要是由于在相同条件下,碎石桩 的刚度大于砂桩的刚度造成的。 图4 p-σ曲线 213 桩土应力比曲线 本次试验碎石桩复合地基桩土应力比随荷载变 化情况如图5所示,随着荷载的增加,碎石桩边桩桩 土应力比n11先增大后慢慢减小,碎石桩中桩桩土应 力比n12先快速减小后缓慢减小,而碎石桩的平均桩 土应力比n1先快速减小后慢慢减小,并且三者趋于 一致;砂桩复合地基中边桩桩土应力比n01和中桩的 桩土应力比n02及平均桩土应力比n0变化趋势均类 似于碎石桩,并且两者趋于一致,但碎石桩复合地基 各桩土应力比的值均大于砂桩复合地基各对应桩土 应力比的值。其原因还是由于在相同条件下,碎石 桩的刚度大于砂桩的刚度。 图5 n-p曲线 214 荷载分担比曲线 碎石桩复合地基桩、 土荷载分担比曲线如图6 所示,随着荷载的增加,碎石桩的荷载分担比先增加 后减小,而碎石桩桩间土的荷载分担比则相反,先减 小后增加;图6中还显示了砂桩复合地基桩、 土荷载 分担比曲线,随着荷载的增加,砂桩的荷载分担比不 断增加,砂桩桩间土的荷载分担比则不断减小,直到 加载至极限承载力之后,两曲线均比较平缓。另外, 从图6中还可以看出,加载后期碎石桩复合地基桩、 土荷载分担比与砂桩复合地基桩、 土荷载分担比趋 于一致。 图6 桩、 土荷载分担比曲线 3 结论 本文通过自行研发的试验装置,对散体材料桩 进行了五桩复合地基的室内模型系列试验,从而得 到散体材料桩复合地基的一些结论 1从试验结果看出,在处理粉细砂类土,散体 材料桩发挥的作用是比较显著的,且碎石桩优于砂 桩。 2碎石桩复合地基与砂桩复合地基对应各测 点应力的观测值变化规律一致,均随着荷载的增加 67 岩土工程界 第11卷 第2期材料与装备 而增加,但碎石桩上各测应力值比砂桩上对应各测 点应力值高很多,这主要是由于在相同条件下,碎石 桩的模量大于砂桩的模量造成的。 3随着荷载的增加,散体材料桩碎石桩、 砂 桩边桩桩土应力比先增大后慢慢减小,中桩桩土 应力比先快速减小后缓慢减小,而平均桩土应力比 先快速减小后慢慢减小,并且三者趋于一致。但碎 石桩复合地基各桩土应力比的值均大于砂桩复合地 基各对应桩土应力比的值。 4随着荷载的增加,碎石桩的荷载分担比先 增加后减小,而碎石桩桩间土的荷载分担比则相反, 先减小后增加;而随着荷载的增加,砂桩的荷载分担 比不断增加,砂桩桩间土的荷载分担比则不断减小, 直到加载至极限承载力之后,两者的值趋于稳定,且 碎石桩复合地基桩、 土荷载分担比与砂桩复合地基 桩、 土荷载分担比趋于一致。 参考文献 [1] 郑俊杰.地基处理技术[M ].武汉华中科技大学出版社, 2004, 104 - 125. 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