地基土模型试验研究范文

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《建筑设计管理杂志》2014年第八期

1试验方法

本次试验模型槽用砖块垒砌而成，深度为1.3m，槽内平面净尺寸为2.1m×1.9m。模型地基分两层，下层采用中砂，厚度20cm，用作垫层；上层土取自南京农业大学工学院椅子山下，厚度85cm，用作桩周土，其主要基本性质见表1、表2和图1。凝土具有一定强度后，用切割机脱模。在标准条件下养护28d，即得试验所用模型试桩。物理参数见表3。试验的加载装置主要是沙袋。因单桩加载时不易保持平衡，故采用两根辅助桩配合测试桩呈三角形的位置布置在模型槽中，每根桩之间间距大于等于6D，避免辅助桩对测试桩产生影响。将承台置于3根桩上，沙袋置于承台上实现加载。考虑到辅助桩的承载力以及其桩顶与测试桩桩顶需在同一水平面上，且测试桩桩顶将固定高度10cm的力传感器，故预制辅助桩半径为10cm，长度101cm。桩位置布置示意图见图2，模型槽剖面图见图3。试验量测系统由力传感器、百分表、应变片、土压力盒以及应变仪组成。力传感器固定于桩顶，与读数仪表配合，测桩顶竖向荷载值；两只百分表对称放置于力传感器上表面，测量桩顶沉降；在预制的模型桩两侧对称粘贴应变片，与XL-2118应变仪相连，测量桩身微应变，可据此计算桩身轴力和桩侧摩阻力；在桩周土以及桩端埋设土压力盒，与YJ-4501A静态数字电阻应变仪相连，测土压力。各仪器布置示意图见图4．

2试验操作

在模型桩两侧对称粘贴应变片8对，应变片之间距离10cm。先在模型槽中夯实20cm厚的沙土和25cm厚的椅子山土，将粘贴有应变片的测试桩和两根辅助桩固定在设计位置，再夯实土层直至地基土表面距试验桩桩顶6cm，并在夯实过程中的预定高度埋设土压力盒。在桩周土中距桩身5cm处沿竖直方向埋设7只土压力盒，间隔10cm；在桩端水平面上，沿1条直线埋设4只土压力盒，间距5cm；在桩端紧凑埋设3只土压力盒。在试验桩桩顶处，固定力传感器和百分表，并将承台固定在辅助桩与试验桩上。参考《建筑基桩检测技术规范》实施加荷操作，并记录数据。荷载施加过程示意图见图5。

3试验结果分析

3.1沉降数据分析将试验得到的桩顶荷载P和相应的沉降S绘制荷载-沉降曲线，见图6。在桩顶荷载达到2350N时，曲线陡降。

3.2土压力盒数据分析绘制桩身土压力分布图，见图7。从地基土表面向下的竖直方向上，土压力先增加后减小，最大值在桩入土深度约30cm处。绘制桩端水平面土压力分布图，见图8。水平面上，靠近桩身土体的土压力大，随着与桩距离的增大，桩周土压力减小。在竖直面和水平面上，随着荷载的增加，同一深度处的土压力均增大。

3.3应变片数据分析

3.3.1桩身应变绘制桩身应变变化量分布图，见图9。当竖向荷载施加于单桩桩顶后，桩身产生应变。随着载的增大，桩身应变逐渐增大。在同一级荷载作用下，桩身应变从桩顶往下减小，曲线在桩入土深度为30~40cm处出现拐点。

3.3.2桩身轴力绘制桩身轴力分布图，见图10。在竖向荷载作用下，因桩身应变自上而下减小，桩身轴力沿其深度的发展趋势是减小的。在20~37.5cm深度范围内，曲线倾斜度小，轴力减小较快；在37.5~91cm深度范围内，曲线倾斜度大，轴力减小稍慢。

3.3.3桩侧摩阻力绘制桩侧摩阻力分布图，见图11。在不同等级的竖向荷载作用下，桩侧摩阻力沿桩身从上往下增大，最大值在桩入土深度27.5cm处。这是由于桩间土中传递的应力对桩身侧向压缩，使得桩侧摩阻力增强，此为“增强作用”。而继续向下发展时桩侧摩阻力呈减小趋势。当荷载加到2510N时，桩侧摩阻力基本达到极限值。对于桩端附近处的侧摩阻力降低的原因，可以认为是桩侧土的拱效应以及桩端产生的径向应力减少了桩侧法向应力。这与图7的试验结果吻合。

4单桩-地基土体系承载性能研究

4.1桩土荷载传递单桩静载试验中，竖向荷载施加于桩顶时，桩身受压产生应变和向下的位移，桩侧表面受到桩周土体向上的摩阻力从而产生桩侧摩阻力，荷载不断克服桩侧摩阻力沿桩身向下传递并通过桩侧摩阻力向土体扩散。当桩顶荷载较小时，桩身压缩量和桩顶位移很小，沿桩身分布的土压力差别不大；随着上部荷载的增大，桩端持力层在桩端阻力作用下被压缩，桩身下沉，加大桩与桩周土产生相对位移，桩侧摩阻力进一步发挥，桩周土压力增大。当桩顶荷载较大时，桩侧摩阻力增加趋于缓慢直至稳定在桩侧摩阻力极限值附近，继续增加的荷载由桩端持力层土体承受。当传递到桩底的荷载达到桩端持力层土的极限承载力时，桩便开始刺入土体[8]。

4.2单桩承载机理当桩土间出现相对位移时，桩土间的相互作用分为桩与桩周土体间的荷载作用和桩与桩端土体间的荷载作用。桩与桩周土体间的荷载传递是靠桩侧摩阻力在土体中产生的剪应力实现的，桩与桩端土体的荷载传递是靠桩端阻力在桩端附近土体中产生的拉张应力实现的。从图3可以看出，桩周土压力在深度80cm处较小；并根据曲线的变化趋势推断，随着深度的变大，桩周土压力变小。从图5、图6和图7可以看出，桩身应变、桩身轴力和桩侧摩阻力在深度70cm处较小。因此，存在一定长度的桩体承担远小于其承载力的压力。

4.3地基土沉降盆根据桩侧摩阻力和桩周土压力变化规律以及桩顶荷载传递规律，可分析地基土体沉降。在桩顶荷载的作用下，桩周土受桩基的影响分担其上部荷载而发生沉降。根据试验结果，沉降范围影响半径大于4倍桩径。由此可见，地基土体形成以桩为中心的沉降盆，桩身附近土体沉降大，桩顶附近土体沉降大于桩端附近土体沉降，且最大沉降发生在桩身中上部附近土体中。

5结语

桩基和地基土条件是影响竖向荷载下桩基承载力和土体沉降盆的重要因素。存在一个地基土沉降影响半径，范围内的土体土压力大，沉降明显，易对地基承载力和稳定性产生影响；存在一个有效桩长，当桩基长度大于该值时，无法以增加桩长的方式获取更大的桩基承载力。南京地区多为软土土层且土质不均，致使地基较软弱和复杂。建设工程项目时，需采用高标号混凝土桩基加固地基，提高地基承载力和减少地基沉降。设计人员应严格根据勘察报告设计桩基形状和尺寸，控制地基沉降盆的范围，避免因桩基承载力不足导致地基过度沉降的安全事故发生。同时，设计人员在确定桩基尺寸时，应当合理控制桩长，避免不必要的长度浪费，降低工程造价。

作者：王琮涵秦敏曹汕单位：南京农业大学工学院