1、柔性基础下复合地基桩土应力比现场试验研究第26卷第2期2005年2月岩土力学RockandSoilMechanics,o1.26NO.2Fleb.2005柔性基础下复合地基桩土应力比现场试验研究李国维,杨涛2(1.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098;2.上海理工大学城市建设与环境工程学院,上海200093)要:在复合地基设计中桩土应力比是一个很重要的参数.通过揭普高速公路路堤下复合地基桩土应力比的现场试验,获得了柔性基础下桩土应力比数值及其随荷载和固结时间的变化规律.现场测试结果表明,柔性基础下桩土应力比要比刚性基础下小得多,它随荷载增加先减小后增大呈波浪形变化,其研究成果可为路堤下
2、复合地基设计提供有益参考.关键词.柔性基础;刚性基础;复合地基;桩土应力比中图分类号.Tu47文献标识码.AFieldexperimentalstudyonpile-soilstressratioofcompositegroundunderflexiblefoundationLIGuowei,YANGTao(1.ResearchInstituteofGetechnicalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098.China;2.CollegeofUrbanConstructionandEnvironmentEngineering,Universityo
3、fShanghaiforScienceandTechnology,Shang200093,Cna)Abstract:PilesoilStressratioisnilimportantparameterinthedesignofthecompositeground.Inthispaper,thefieldmeasurementsofthepilesoilstressratioofthecompositegroundwithDCMpileunderembankmentarecarriedoutforJieyangPIlningExpresswayinGuangdongProvince.Themag
4、nitudeofthepilesoilstressratioanditsvariationwiththeloadandtheconsolidationtimeaImeasured.ThemeasuredresultsshowthatthemeasuredpilesoilstressratioismuchmoreleSSthanthatunderrigidfoundation;itvarieswithloadfromdecreasetoincreasefirst,thenintheformofwave.TheconclusiondrawnCanprovidevaluablepreferencef
5、orthedesignofthecompositegroundunderembankment.Keywords:flexiblefoundation;rigidfoundation;compositeground;pilesoilstressratio1前言桩土应力比,即桩顶与桩间土平均应力的比值,反映了复合地基桩土荷载分担特性,直接影响着复合地基荷载传递和受力变形机理,是复合地基沉降与稳定性分析的重要指标,亦是复合地基的一个重要研究课题.目前通过大量室内外试验和理论分析,刚性基础下复合地基桩土应力比研究取得了较大进展【lJ,但对于诸如路堤这类柔性基础下的复合地基研究成果就少得多,文献【610
6、给出了一些路堤下桩土应力比实测结果;文献【ll】通过现场单桩复合地基模型试验,研究了基础刚度对桩土应力比的影响;文献12,131在一定假设条件下建立了路堤下复合地基桩土应力比的计算式,但由于测试上的困难,现有的为数不多的实测结果离散性较大,规律性差,理论公式与计算结果误差较大,设计中无法采用.因此进一步加强路堤下复合地基桩土应力比现场试验研究是十分必要的.笔者结合实际工程,进行了路堤下复合地基桩土应力比现场试验,对柔性基础下复合地基桩土应力比取值和变化规律进行了探讨,并通过与刚性基础下复合地基的比较,分析了柔性基础下复合地基的工作机理.2现场试验2.1工程概况与地质条件广东省揭一普高速公路起于
7、揭阳市锡场镇与新亨镇交界处,止于普宁市池尾镇,设计全长45.1km,沿线地基土主要是第四纪全新世沉积物,软基总长23.86km,主要由淤泥和淤泥质土组成,最大厚度收稿日期:2003.12-02修改稿收到日期:2004-04-23作者简介:李国维,男,1964生,博士研究生,高级工程师,主要从事岩土工程原位测试,高速公路软基处理和土动力学方面的研究.E-mail:njIgw266岩土力学20o5年为18m.路堤用砂填筑,铺两层SS20型双向拉伸土工格栅,顶宽26m,设计边坡1:1.5.试验断面为k11+320断面,土层从上至下为:粉质粘土,灰色,软塑一可塑,厚约2.5m;淤泥,深灰色,流塑一软塑
8、,厚约5.0m;含粉细砂淤泥,深灰色,流塑一软塑,厚约2.9m;含粘土砂,浅灰色,稍密一中密,厚约3.6m;粉质粘土,浅灰色,可塑,厚约3-3m;砂层,灰黄色,稍密一中密.部分土层的物理力学性质指标见表1.表1中同时给出了由静力触探试验获得的部分土层的承载力.表1试验断面土层物理力学性质指标TableIThephysico?mechanicalparametersofsoilsinexperimentalsection2.2桩体与复合地基承载力试验断面采用粉喷桩复合地基加固.粉喷桩采用425#水泥,掺入比为15%.桩径为50cm,桩长为9m,间距为1.4m,正三角形布置.图1(a)给出了龄期5
9、3d时单桩载荷试验获得的PS曲线,由此得到粉喷桩单桩极限承载力为189kN,图1(b)为龄期42d时单桩复合地基的P.曲线,由此得到复合地基承载力约为151kPa.015l3045600lo02o03o0(a)单桩P.S益线Pl0lo0(b)单桩复合地基P.S曲线图1静载荷试验曲线Fig.1Staticloadingtestcurves2.3试验仪器与埋设方法本次试验采用土压力盒测量桩顶和桩间土应力.用土压力盒测量应力,为获得理想的结果,必须控制好仪器制造,室内标定和现场埋设3个环节.研究表明lJ引,土压力盒越薄,接触面积越大,量测越准确.水中标定误差较大,故应在现场实际材料中标定,本次试验采
10、用南京水利科学研究院生产的JGZ型钢弦式土中土压力盒,量程200kPa,在砂中进行标定.现场埋设采用砂垫层法:首先将桩顶削平使桩顶与桩间土表面在同一高程上.然后在桩顶和桩间土表面铺一薄层砂,将其夯实,在砂垫层上放置土压力盒.图2为土压力盒埋设布置图,给出了各土压力盒的编号和相对位置.试验自2002年7月28日开始,1.78m以下路堤是当天采用人工方法填筑,1.78m以上路堤是机械压实.桩体图2土压力盒埋设布置图(单位:mm)Fig.2Arrangementofpressurecells(unit:mm)3试验成果图3给出了试验点路堤填土厚度时程线,路堤填筑总厚度为5.50nl.本次试验中桩和土
11、的性质,桩的几何尺寸,布置是一定的,桩,土应力及桩土应力比的影响因素主要是填土荷载和各级荷载的间歇时间(固结时间),以下分析这2个因素的影响.Om如第2期李国维等:柔性基础下复合地基桩土应力比现场试验研究267050100150200250t,d图3试验点填土厚度时程线Fig-Embankmentheightwithtimeatthetestpoint3.1桩,土应力及桩土应力比在埋设的6只土压力盒中,桩上的2169和203埋设当天就坏死,桩间土上的3036和2157分别存活了4d和70d,而桩上的4001和桩间土上的2097土压力盒一直工作正常.考虑到路堤荷载难于准确确定,本文采用路堤厚度反
12、映荷载大小,图4给出了由4001和2097土压力盒实测的桩顶和桩间土应力随填土厚度变化曲线,桩,土应力取路堤荷载施加完时刻的测值.从图4中可以看到,随着荷载的增加,桩顶与桩间土上的应力不断增大,桩间土上的应力基本是上按线性增大的,最大值为98kPa,虽然超过了天然地基的承载力,但桩间土并未破坏.150120日90生603O0H|in(b)图5实测桩土应力比.土层J|【度越线Fig.5Themeasuredcurvesofpile?soilstressratiovload3.2固结时间的影响图6给出了实测的各级填土荷载下桩土应力比随固结时间变化曲线,时间零点统一取自各级荷载的停载点.图6表明,桩
13、土应力比随固结时间的增长略有波动,一般是随固结时间增加而增大,但总的增幅较小,只有0.10.2左右.因此,工程设计中可不考虑固结时间对桩土应力比的影响.1.6图4实测桩顶及桩问土应力.路堤J|【度关系曲线oFig.4CurvesofmeasuredpiletopstressesandearthstressesbetweenpilesVS.embankmentthickness图5为实测的桩土应力比随填土厚度变化曲线,其中图5(a)结果是由桩上4001,2032土压力盒和桩间土3036,2097土压力盒测量获得,图5Co)结果是由桩上4001土压力盒和桩间土2097,2157土压力盒测量获得.从
14、图可以看出,随着填土荷载的增加,桩土应力比从最大值逐渐下降,达到其最小值后上升,达到峰值后又重复这一过程,呈波浪形变化.桩土应力比值在1.it1.75之间.显然,桩土应力比数值要比冈0性基础下的小得多.O5lOl5t/d(a)O5Ol0ol5Ot/dCo)图6桩土应力比随固结时间变化越线Fig.6Variationofpile-softstressratiowithconsolidationtlne642O岩土力学2005年3.3柔性基础下复合地基工作机理分析刚性基础下的复合地基,由于基础刚度很大,强迫桩顶沉降量与桩问土相同,这样就使得大部分荷载向桩顶转移,桩顶应力远大于桩问土,桩土应力比很大
15、.段继伟等J通过现场水泥土桩载荷板试验发现,刚性基础下复合地基是桩头先压坏,其承载能力随之降低,荷载向桩问土转移,而桩土应力比随荷载的增加呈现出由d,N大达到峰值后,再逐渐减小的向上凸单峰曲线特征,反映出刚性基础下的复合地基荷载分担特性,如路堤这样的柔性基础下的复合地基,基础刚度很小.现场实测表明【】,桩顶沉降量与桩问土并不相同,桩间土沉降大于桩顶沉降,桩身上部出现负摩阻力.本文测得的桩土应力比只有1.11.75,而吴慧明等uu现场单桩模型试验结果为1.11.6,二者数值相当接近.可见,柔性基础下的复合地基桩土应力比要比刚性基础下小得多,其根本原因就在于柔性基础并不强迫桩顶沉降量与桩问土相同,因此荷载并不会大规模向桩顶转移.本文实测的桩土应力比在加荷初期较大,随着荷载的增加而减小,后又增加
