地基土模型試驗(yàn)研究范文

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《建筑設(shè)計(jì)管理雜志》2014年第八期

1試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒塾么u塊壘砌而成，深度為1.3m，槽內(nèi)平面凈尺寸為2.1m×1.9m。模型地基分兩層，下層采用中砂，厚度20cm，用作墊層；上層土取自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院椅子山下，厚度85cm，用作樁周土，其主要基本性質(zhì)見表1、表2和圖1。凝土具有一定強(qiáng)度后，用切割機(jī)脫模。在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d，即得試驗(yàn)所用模型試樁。物理參數(shù)見表3。試驗(yàn)的加載裝置主要是沙袋。因單樁加載時(shí)不易保持平衡，故采用兩根輔助樁配合測試樁呈三角形的位置布置在模型槽中，每根樁之間間距大于等于6D，避免輔助樁對測試樁產(chǎn)生影響。將承臺(tái)置于3根樁上，沙袋置于承臺(tái)上實(shí)現(xiàn)加載?？紤]到輔助樁的承載力以及其樁頂與測試樁樁頂需在同一水平面上，且測試樁樁頂將固定高度10cm的力傳感器，故預(yù)制輔助樁半徑為10cm，長度101cm。樁位置布置示意圖見圖2，模型槽剖面圖見圖3。試驗(yàn)量測系統(tǒng)由力傳感器、百分表、應(yīng)變片、土壓力盒以及應(yīng)變儀組成。力傳感器固定于樁頂，與讀數(shù)儀表配合，測樁頂豎向荷載值；兩只百分表對稱放置于力傳感器上表面，測量樁頂沉降；在預(yù)制的模型樁兩側(cè)對稱粘貼應(yīng)變片，與XL-2118應(yīng)變儀相連，測量樁身微應(yīng)變，可據(jù)此計(jì)算樁身軸力和樁側(cè)摩阻力；在樁周土以及樁端埋設(shè)土壓力盒，與YJ-4501A靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀相連，測土壓力。各儀器布置示意圖見圖4．

2試驗(yàn)操作

在模型樁兩側(cè)對稱粘貼應(yīng)變片8對，應(yīng)變片之間距離10cm。先在模型槽中夯實(shí)20cm厚的沙土和25cm厚的椅子山土，將粘貼有應(yīng)變片的測試樁和兩根輔助樁固定在設(shè)計(jì)位置，再夯實(shí)土層直至地基土表面距試驗(yàn)樁樁頂6cm，并在夯實(shí)過程中的預(yù)定高度埋設(shè)土壓力盒。在樁周土中距樁身5cm處沿豎直方向埋設(shè)7只土壓力盒，間隔10cm；在樁端水平面上，沿1條直線埋設(shè)4只土壓力盒，間距5cm；在樁端緊湊埋設(shè)3只土壓力盒。在試驗(yàn)樁樁頂處，固定力傳感器和百分表，并將承臺(tái)固定在輔助樁與試驗(yàn)樁上。參考《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》實(shí)施加荷操作，并記錄數(shù)據(jù)。荷載施加過程示意圖見圖5。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1沉降數(shù)據(jù)分析將試驗(yàn)得到的樁頂荷載P和相應(yīng)的沉降S繪制荷載-沉降曲線，見圖6。在樁頂荷載達(dá)到2350N時(shí)，曲線陡降。

3.2土壓力盒數(shù)據(jù)分析繪制樁身土壓力分布圖，見圖7。從地基土表面向下的豎直方向上，土壓力先增加后減小，最大值在樁入土深度約30cm處。繪制樁端水平面土壓力分布圖，見圖8。水平面上，靠近樁身土體的土壓力大，隨著與樁距離的增大，樁周土壓力減小。在豎直面和水平面上，隨著荷載的增加，同一深度處的土壓力均增大。

3.3應(yīng)變片數(shù)據(jù)分析

3.3.1樁身應(yīng)變繪制樁身應(yīng)變變化量分布圖，見圖9。當(dāng)豎向荷載施加于單樁樁頂后，樁身產(chǎn)生應(yīng)變。隨著載的增大，樁身應(yīng)變逐漸增大。在同一級(jí)荷載作用下，樁身應(yīng)變從樁頂往下減小，曲線在樁入土深度為30~40cm處出現(xiàn)拐點(diǎn)。

3.3.2樁身軸力繪制樁身軸力分布圖，見圖10。在豎向荷載作用下，因樁身應(yīng)變自上而下減小，樁身軸力沿其深度的發(fā)展趨勢是減小的。在20~37.5cm深度范圍內(nèi)，曲線傾斜度小，軸力減小較快；在37.5~91cm深度范圍內(nèi)，曲線傾斜度大，軸力減小稍慢。

3.3.3樁側(cè)摩阻力繪制樁側(cè)摩阻力分布圖，見圖11。在不同等級(jí)的豎向荷載作用下，樁側(cè)摩阻力沿樁身從上往下增大，最大值在樁入土深度27.5cm處。這是由于樁間土中傳遞的應(yīng)力對樁身側(cè)向壓縮，使得樁側(cè)摩阻力增強(qiáng)，此為“增強(qiáng)作用”。而繼續(xù)向下發(fā)展時(shí)樁側(cè)摩阻力呈減小趨勢。當(dāng)荷載加到2510N時(shí)，樁側(cè)摩阻力基本達(dá)到極限值。對于樁端附近處的側(cè)摩阻力降低的原因，可以認(rèn)為是樁側(cè)土的拱效應(yīng)以及樁端產(chǎn)生的徑向應(yīng)力減少了樁側(cè)法向應(yīng)力。這與圖7的試驗(yàn)結(jié)果吻合。

4單樁-地基土體系承載性能研究

4.1樁土荷載傳遞單樁靜載試驗(yàn)中，豎向荷載施加于樁頂時(shí)，樁身受壓產(chǎn)生應(yīng)變和向下的位移，樁側(cè)表面受到樁周土體向上的摩阻力從而產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力，荷載不斷克服樁側(cè)摩阻力沿樁身向下傳遞并通過樁側(cè)摩阻力向土體擴(kuò)散。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁身壓縮量和樁頂位移很小，沿樁身分布的土壓力差別不大；隨著上部荷載的增大，樁端持力層在樁端阻力作用下被壓縮，樁身下沉，加大樁與樁周土產(chǎn)生相對位移，樁側(cè)摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮，樁周土壓力增大。當(dāng)樁頂荷載較大時(shí)，樁側(cè)摩阻力增加趨于緩慢直至穩(wěn)定在樁側(cè)摩阻力極限值附近，繼續(xù)增加的荷載由樁端持力層土體承受。當(dāng)傳遞到樁底的荷載達(dá)到樁端持力層土的極限承載力時(shí)，樁便開始刺入土體[8]。

4.2單樁承載機(jī)理當(dāng)樁土間出現(xiàn)相對位移時(shí)，樁土間的相互作用分為樁與樁周土體間的荷載作用和樁與樁端土體間的荷載作用。樁與樁周土體間的荷載傳遞是靠樁側(cè)摩阻力在土體中產(chǎn)生的剪應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的，樁與樁端土體的荷載傳遞是靠樁端阻力在樁端附近土體中產(chǎn)生的拉張應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的。從圖3可以看出，樁周土壓力在深度80cm處較小；并根據(jù)曲線的變化趨勢推斷，隨著深度的變大，樁周土壓力變小。從圖5、圖6和圖7可以看出，樁身應(yīng)變、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力在深度70cm處較小。因此，存在一定長度的樁體承擔(dān)遠(yuǎn)小于其承載力的壓力。

4.3地基土沉降盆根據(jù)樁側(cè)摩阻力和樁周土壓力變化規(guī)律以及樁頂荷載傳遞規(guī)律，可分析地基土體沉降。在樁頂荷載的作用下，樁周土受樁基的影響分擔(dān)其上部荷載而發(fā)生沉降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，沉降范圍影響半徑大于4倍樁徑。由此可見，地基土體形成以樁為中心的沉降盆，樁身附近土體沉降大，樁頂附近土體沉降大于樁端附近土體沉降，且最大沉降發(fā)生在樁身中上部附近土體中。

5結(jié)語

樁基和地基土條件是影響豎向荷載下樁基承載力和土體沉降盆的重要因素。存在一個(gè)地基土沉降影響半徑，范圍內(nèi)的土體土壓力大，沉降明顯，易對地基承載力和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；存在一個(gè)有效樁長，當(dāng)樁基長度大于該值時(shí)，無法以增加樁長的方式獲取更大的樁基承載力。南京地區(qū)多為軟土土層且土質(zhì)不均，致使地基較軟弱和復(fù)雜。建設(shè)工程項(xiàng)目時(shí)，需采用高標(biāo)號(hào)混凝土樁基加固地基，提高地基承載力和減少地基沉降。設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)勘察報(bào)告設(shè)計(jì)樁基形狀和尺寸，控制地基沉降盆的范圍，避免因樁基承載力不足導(dǎo)致地基過度沉降的安全事故發(fā)生。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在確定樁基尺寸時(shí)，應(yīng)當(dāng)合理控制樁長，避免不必要的長度浪費(fèi)，降低工程造價(jià)。

作者：王琮涵秦敏曹汕單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院