刚性桩复合地基性能试验分析

【摘要】根据相似理论，建立刚性桩复合地基群桩模型， 对其在静力作用受力特性进行了测试。静力试验表明：褥垫层能够调节桩-土荷载分担比，不同桩位桩身的应力，角桩最大，其次是边中桩，中桩最小。动力试验表明：无论是弯矩值还是剪力值都是：角桩最大，其次是边桩，再次是中心桩；刚性桩复合地基具有良好的抗震性能。

【关键词】复合地基；刚性桩；静力模型试验；拟动力试验

刚性桩复合地基由于自身具有相对于柔性桩较大的桩体刚度，可以更好地发挥全桩的侧摩阻力，因此具有较高的承载力，而且还具有沉降量小、施工简单、工期短等优点，具有明显的经济和社会效益，在我国被大量地应用到10-30层的高层建筑中[1-3]。

我们通过静力模型试验，对不同褥垫层厚度下模型桩体和土体的应力变化规律及桩土应力比等工作性能进行了研究；并采用模型拟动力试验，得出桩身应变、砂箱位移、垫层变形值，并对上述数值进行分析研究，得出刚性桩复合地基在地震作用下的响应规律；通过分析刚性桩复合地基动静试验数据，得到一些对刚性桩复合地基的设计有参考价值的规律性结论。

1 静力模型试验

1.1 试验概况

试验采用3×3群桩模型：桩体采用PP-R管材，桩长900mm，桩间距6d（d为桩径）；砂为中砂；荷载板为0.5m×0.5×0.02m钢板；设置150mm厚的垫层. 模型材料参数见表1.模型试验如图1所示，砂桶内模型桩和应变片粘贴情况如图2所示. 电脑自动采集试验数据.

1.2 试验结果分析

1） 图3为不同褥垫层的p-s曲线，从图中可以看出不设垫层时的沉降量最大，当设置一定厚度的垫层时，由于垫层的调节作用，大部分上部荷载由桩间土体承担，同时桩体的侧摩阻力会随着桩间土应力的增加而增加，进而提高桩的承载力，并且更深的土体会受到荷载的影响；复合地基的承载力亦会因此而提高，同时桩体的受力会更均匀些。

2）图4为桩体应力，由于垫层的流动补偿使得桩身的最大应力点位置下移. 从模型试验的结果来看，最大应力点的位置在Z/L=0.3附近（Z/L表示桩身不同位置与桩长之比），垫层厚度对最大应力点位置影响不大。

3）图5是不同桩位桩身的应力曲线，角桩的桩身应力最大，其次是边中桩，中桩桩身应力最小但最均匀。

4）图6是桩土荷载分担比变化曲线，从图中可以看出，桩体分担比随着荷载的增大而逐渐增大，然后趋于平衡甚至有些下降；土体分担比反而随着荷载的增大而逐渐减小。

2动力模型拟动力试验

2.1模型相似关系

综合考虑拟动力试验系统和模型自身性质等因素的影响，根据相似性理论，试验模型选取长度相似比为1：10，材料弹性模量、加速度、质量密度和应力与应变的相似比均为1：1。

2.2模型设计

试验采用含水率为5.7%的开封地区砂土模拟地基情况. 试验中的砂箱采用10 mm厚钢板加工制作而成。 试验采用3×3群桩模型，模型桩采用具有较高强度的三型聚丙烯管材。 分别采用拉伸试验和压缩试验得到模型桩的相关参数：弹性模量为 ，泊松比为0.36。 褥垫层厚度为30 mm。

2.3 监控点布置

为了实时监控模型在关键部位的应变、位移、土压力及褥垫层的变化情况，试验中分别在距离桩顶3 cm处以及第一个应变片以下每隔12 cm处电阻应变片，共 8个；分别在砂桶底部、模型桩底、中部、上部以及砂桶侧面埋设土压力盒；褥垫层中心设置两个水平做动器和两个垂直做动器；在砂箱外侧放置量程为0～150 mm的位移传感器以便测得砂箱的时程曲线. 桩位布置及试验装置见图7和图8。

2.4试验参数及加载方案

试验前，首先需要确定将在模型试验中用到的三个参数：模型的初始刚度、质量矩阵和阻尼矩阵。

试验采用对模型做单周期反复加载，通过加载测得的位移和反力计算出模型结构的刚度值. 本模型试验的初始刚度为2×105 N/m；模型的质量矩阵可根据原型结构的实际质量和原型-模型之间的相似比确定[4]；模型的阻尼矩阵，拟动力试验不同于振动台试验[5]，不必在模型结构上加大质量，只需在操作系统中设置相关参数，使其满足相似性要求即可[6]。

2.5 模型试验结果

文中只对在El Centro波（加速度峰值为35cm/s2，上部荷载为18KN，）的作用下模型桩的性能进行了分析，并和有限元理论分析结果进行了比较. 其桩身内力包络图如图9所示。

剪力最大值均出现在桩顶处，最小值在Z/L=0.43处，桩端剪力相对桩身其它部位而言其值也较大，仅略低于桩顶剪力；而最大弯矩值出现在剪力值最小处；无论是弯矩值还是剪力值都是：角桩最大，其次是边桩，再次是中心桩. 实际工程中角桩的破坏程度比中桩和边桩严重。

3 结论

本文分别采用竖向静力和水平动力荷载模型拟试验，研究了刚性桩复合地基桩体的力学性能. 并对其结果进行了对比分析，得到如下结论：

1）静力荷载作用下，桩身应力的中性点位置在Z/L=0.3附近. 不同桩位角桩的中性点位置最高，边中桩次之，中桩中性点位置最低. 对于桩身应力，不论是桩基还是复合地基，角桩最大，边中桩次之，中桩应力最小。

2）竖向荷载作用下，不设垫层时的沉降量最大，当设有一定厚度的垫层时，由于垫层的调节作用，同时桩体的侧摩阻力会随着桩间土应力的增大而提高，进而提高桩的承载力，并且荷载会作用到更深的土层，复合地基的承载力也会因此而提高。

3）刚性桩复合地基在动力作用下桩体的最大剪力均在桩顶，桩端的剪力也较大；而最大弯矩出现在Z/L=0.43处，无论是弯矩值还是剪力值都是：角桩最大，其次是边桩，再次是中心桩；所以设计时应加强角桩抗弯、抗剪及抗扭的计算及构造措施。

4）通过模型拟动力试验的分析，本试验方法用于研究刚性桩复合地基的抗震性能是可行的；而且通过观察试验现象和分析试验数据，可见刚性桩复合地基具有良好的抗震性能。

参考文献

[1] 池跃军.刚性桩复合地基工作性能及沉降计算方法的研究[D] .北京：清华大学，2002.

[2] 阎明礼，吴春林，杨军.水泥粉煤灰碎石桩复合地基试验研究[J].岩土工程学报，1996，18（2）：1-2.

[3] 阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2005：22，75-80.

[4] 王娴明.建筑结构试验[M].北京，清华大学出版社，1998.

[5] 刘彩玲.钢框架结构拟动力试验及结构动力相似关系研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2008.