长短桩复合地基^[1,2,3]是在等长桩复合地基理论的基础上发展而来的。在不同桩体组成的长短桩复合地基, 上部荷载作用于土层, 通过复合地基中土体和桩体共同作用, 充分发挥复合地基的特性, 达到控制沉降的目的。

长短桩复合地基的竖向增强体由长桩和短桩两部分构成。通常情况下短桩加固浅层软土, 提高其承载力和压缩模量, 减少沉降;而长桩则考虑应力扩散的关系。上部荷载通过桩身向土层深部传递, 从而控制沉降。复合地基沉降^[4]是值得研究的重要问题之一, 但由于复杂性, 沉降规律的研究一直处于探索之中。

复合地基的沉降通常可以分为两部分:加固层沉降和下卧层沉降。复合地基沉降实用计算方法中, 针对下卧层压缩量计算基本采用的是分层总和法, 而对于加固区范围内土层压缩量的计算则根据实际情况, 分别采用了复合模量法、应力修正法、桩身压缩法等方法。而这些方法因各自不同的条件而存在相应的局限性。但是整体上, 大多数情况下都是因为桩体长度不同而对复合地基沉降有很大影响。所以针对这一问题, 如果采用现场试验桩的方法耗资巨大, 而且难以达到预期的效果, 故采用室内模型试验研究就是一种方便高效的方法^[5,6]。

通过模型试验, 研究了长短桩复合地基的沉降量与桩体长度的关系, 期望对长短桩复合地基的沉降研究具有一定的借鉴作用, 同时提高实际工程的安全效益和经济效益。

模型试验在室内进行, 采用1个高1.5m、长宽均为1m的模型箱, 模型箱采用钢板焊接而成, 模型桩采用水泥搅拌桩。本次试验桩采用水泥与级配良好的粗砂按一定比例制作的低强度预制桩, 桩径为45mm, 每组试验9根桩, 即5根长桩, 4根短桩, 短桩长度均为30mm, 长桩长度分别为550, 600, 650 mm。通过长桩的桩长变化进行试验分析, 并依次进行3组试验。

模型试验用的土质不变, 均为黄土, 试验土的物理和力学性能参数如表1所示。模型桩尺寸及平面布置和沉降点布置如图1, 2所示。

模型的成桩是先在模型桩内分层填土夯实, 各层按照严格控制密实度夯实, 然后埋设模型桩, 在桩顶铺设30mm厚的中砂垫层, 顶部放置1个20mm厚的加载板, 同时在相应位置处安放沉降标进行观测, 位移测读采用百分表安装在板的中心, 测点如图2所示, 同时在加载板的4个边角安装测量标尺, 布置1台水准仪, 进行加载板的沉降测量。

加载系统采用成都伺服加载千斤顶, 最大加载量为45k N, 千斤顶上端与反力梁固定, 下端安装荷载传感器, 荷载传感器与加载板顶紧, 而且处于加载板中心。通过测量地基的沉降, 主要观测荷载板的沉降。加载采用逐级加载法, 加载过程严格按照JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》标准进行荷载控制。每级加载前后均观测沉降数值, 加载稳定后每0.5h读1次沉降数值, 1h连续沉降量<0.1 mm时, 开始下一级加载, 直至加载到最大荷载后停止加载。

试验中桩身应变测量采用的是BX-120-80AA胶剂应变计, 该应变计具有良好的防水、防静电效果, 获得试验数据能准确反映桩身的微小变化, 同时土中应力测量采用土压力盒进行数据采集, 因而可靠度较高。

采集数据系统的装置是东华测试DH3821N数据采集的仪器, 通过加载系统的逐级加载, 自动采集应变计和压力盒数据, 采集频率为30次/s。

长短桩复合地基竖向位移由桩间土的压缩变形和桩基础的压缩变形组成。荷载-沉降曲线是地基承载性状和破坏模式的宏观反映, 是复合地基承载力设计的基础。本文进行了试验, 即保证其他参数不变的情况下长桩桩长的改变对长短桩复合地基沉降特性的影响, 参数的改变会造成桩或土的沉降特性不同, 表现为不同类型的静荷载试验曲线。

图3所示为桩顶沉降曲线, 可以看出随着荷载的增加, 总沉降曲线变化十分明显, 沉降曲线平滑;从末级后沉降量逐渐增大, 曲线的走势呈现明显的下降趋势, 说明沉降随着荷载的增加呈增大趋势。不同桩长其沉降量变化不同, 在其他参数不变的前提下, 长桩桩长650mm时, 相应沉降量在7.06mm, 桩长600mm其沉降量维持在6.12mm, 长桩长度为550 mm时桩沉降量为4.95 mm。拿桩长650 mm和桩长550mm相对比, 桩长长度增加, 但其相应沉降量减少约2.11mm, 下降幅度为29.9%。图4和图5所示分别为长短桩共同加固区沉降曲线和长桩与下卧层交接处沉降曲线。从图5中可以看出, 长桩单独加固区随着荷载增大, 曲线斜率越来越大, 沉降变化幅度比较突出。长短桩共同加固区, 与长桩单独加固区相比较, 在荷载增幅相同的情况下, 桩体的沉降变化幅度明显要小, 由此看出长桩单独加固区对沉降的控制作用比较明显。

图6所示为桩顶下不同位置处沉降随桩长变化曲线。桩长发生改变, 但桩顶的沉降量始终最大;同时, 桩埋设越深, 沉降量越小。以桩长550mm为例, 桩顶沉降量在7.06mm, 距桩顶越大其平均沉降量显著降低, 距桩顶60cm处沉降量维持在1.95mm左右, 沉降下降了5.11mm。随着土的承载力减小, 且在土中会有更多的荷载通过桩侧摩阻力向桩体转移, 导致沉降减小, 相应基础的沉降量随着深度变化效果十分明显。

图7所示为不同桩长沉降沿深度变化曲线。当沉降量一定时, 随着桩长的增加, 基础的沉降逐渐减小;当埋设深度一定时, 650mm桩的沉降量最小, 600 mm桩次之, 550 mm桩的沉降量最大, 可以看出桩长对沉降的影响很大, 考虑到安全效应, 在地基设计中, 长桩长度越长越能直接影响地基的安全和生产。但是同时考虑到经济效益, 选择合适的桩体长度对工程的经济成本有很大影响。

复合地基中, 短桩协力, 长桩控沉。在控制沉降上, 由于桩身刚度相对于桩间土较大, 在加载过程中桩顶荷载沿桩长方向向桩底传递, 在桩底产生应力集中, 使桩底土体产生较大沉降, 进而影响整体复合地基的沉降变形。当长桩持力层土质压缩模量大、承载力高时, 沉降变形较小, 刚性基础下长短桩复合地基长桩分担更多荷载, 荷载在桩底产生变形较小, 同时减小了桩间土和短桩分担的荷载, 因此刚性基础下复合地基长桩对控沉效果明显。

随着土层深度的增加, 持力层的承载力逐渐减小, 在一定深度后, 土体的荷载可以忽略不计。此时, 称这层土体为下卧层。在刚性桩复合地基中, 由于刚性桩的模量大于桩间土的模量, 桩在荷载作用下会传递应力到桩底层, 所以内土体的沉降会大于外土体的沉降, 下卧层沉降不同, 进而下卧层的应力分布不均匀。针对桩顶刺入下卧层的情况, 考虑桩体下部土体和桩周土体的相互作用, 研究了下卧层的应力分布特性, 如图8所示。

从图8中可以看出, 承台中心桩下应力相比于其他周围土体应力最大。在垫层底部, 上部荷载从承台中心向桩顶传递, 使桩顶应力增加, 承台中心桩间土应力减小, 加之承台中心桩间土受荷载后产生较大的沉降变形, 而桩体沉降变形相对于桩间土要小, 桩与桩间土差异沉降减小了承台中心桩间土应力, 反之, 使得中心桩下卧层处承受较大应力。

下卧层所获得的竖向应力由桩体所传递的应力和由桩间土所传递的应力两部分叠加。由图可知, 在竖向荷载作用下, 随着荷载的增加下卧层应力总体呈现增大趋势, 同时所受荷载位置不同, 增大幅度各不相同, 中心桩下的应力增大最为明显, 说明此处受力最大;其次长角桩的受力比较大, 然后是桩间土, 最后是短边桩。其主要原因是在荷载增加过程中, 下卧层土体在中心处承受的荷载最大, 越靠近边缘处所分担的荷载越小。同时, 由于下卧层沉降过程中, 由于内外土的沉降有所差异, 两者之间会产生摩阻力, 其应力不是均匀分布的, 当下卧层土刚度增大到一定程度后, 下卧层土压力变化特性影响削弱桩端承载力发挥, 从而有利于增强土体抵抗变形的能力。

1) 长短桩复合地基的沉降与桩长的变化呈负相关。桩长越长, 总沉降量越小;桩长越短, 总沉降量越大。长桩作为主控桩对沉降量的控制有显著效果。

2) 在长短桩共同加固区域, 桩体沉降变化幅度不大, 长桩单独加固区对沉降控制效果比较明显。

3) 受到加固区桩土相互作用的影响, 下卧层中的附加应力和桩间土附加应力的受力机理相反。长桩受迫沉降, 带动桩间土协同变形, 以致使中心桩下卧层应力最大。