散体材料桩复合地基承载力计算

散体材料桩复合地基承载力计算 散体材料桩复合地基承载力计算 第34卷第6期 2007年6月 湖南大学(自然科学版) JournalofHunanUniversity(NaturalSciences) Vo1.34.No.6 Jun.2007 文章编号:1000—2472(2007)06—0010—05 散体材料桩复合地基承载力计算 张玲,赵明华 (湖南大学岩土工程研究所,湖南长沙410082) 摘要:在探讨散体材料桩承载机理的基础上,针对其受力和变形特性,考虑散体材料 桩倒向变形,不同布桩方式及时间效应等对复合地基承载能力的影响,导出了基于面积比的 散体材料桩复合地基承载力计算公式.通过一工程实例验证了本文方法的可行性,并对该复 合地基的承载力进行了时效分析,结果表明,在进行散体材料桩复合地基的承载力计算时考 虑时效是很有必要的. 关键词:散体材料桩;复合地基;承载力;例向鼓胀;时效 中图分类号:TU473.1文献标识码:A StudyonBearingCapacityCalculationMethodofDiscreteMaterial PileCompositeFoundation ZHANGLing,ZHAOMing—huat (GeotechnicaIEngineeringInstitute,HunanUniv,Changsha,Hunan410082,China) Abstract:Thebearingcapacityofdiscretematerialpilecompositefoundationwasdiscussed. Onthebasisof theArea— ratioFormula,abearingcapacitycalculationmethod,whichtookintoaccountthelateraldeformation ofdiscretematerialpileundertheverticalload,theinfluenceofpile'Sarrangementandagingeffect,wasdevel— oped.Inordertovalidatetheproposedmethod,acasehistorywasillustrated.Thecalculationresultsofthecase historyshowthatthecalculatedvalueismuchclosedtotheobservedvalue.Theresultalsoindicatesthatit'S quitenecessarytotakeintoaccounttheagingeffectwhencalculatingthebearingcapacityofthecompositefoun— dation. Keywords:discretematerialpile;compositefoundation;bearingcapacity;lateraldeformation;agingeffect 近年来,随着以碎石桩为典型代表的散体材料 桩复合地基在软土地基加固工程中的广泛应用,散 体材料桩复合地基的理论研究得到了很大的发 展[卜3j.然而,土体是一种弹塑性体,散体材料桩复 合地基更是一种不均质体,荷载作用下复合地基桩 土应力应变关系极为复杂,有关散体材料桩复合地 基的承载机理尚需进一步深入研究,计算理论也需 进一步完善.为此,本文在探讨散体材料桩复合地基 承载机理的基础上,提出一种更符合实际的承载力 计算方法. 1复合地基承载机理 1.1基本作用原理 在散体材料桩复合地基中,所承受的荷载由桩 体和桩间土体共同承担(图1).根据土层的性质不 同,散体材料桩分别发挥不同的作用.当散体材料桩 进入相对硬层时,因散体材料的压缩模量大于软土 的压缩模量,由基础传给复合地基的外荷载随着桩 土等量变形而逐渐集中到桩体上,桩间软土负担的 ?收稿日期:2006-11_21 基金项目:国家863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目(2006AA11Z104);国家自然科学基金资助项目 (50378036) 作者简介:张玲(1982一),女,浙江台州人,湖南大学博士研究生 t通讯联系人,E—mail:mhzhaohd@21cn.tom 第6期张玲等:散体材料桩复合地基承载力计算11 应力相应减少,散体材料桩发挥了应力集中的作用.加固范围内土体面积A.: A.=(r一r). 图1散体材料桩复合地基作用机理 Fig.1?r0rkmechanismofdiscretematerial pilecompositefoundation 当散体材料桩未进入相对硬层时,复合土层主 要起垫层作用,垫层将外荷载在地基内引起的应力 向周围扩散,使地基中应力趋于均匀,提高了地基土 的整体承载能力. 此外,散体材料桩的承载力主要取决于桩周土 体的侧限压力,桩周土对桩体产生的侧向压力对其 承载力起着关键作用. 1.2复合地基变形特性 轴向荷载作用下,散体材料桩可能发生刺入破 坏,整体剪切破坏和鼓胀破坏3种破坏形式.工程实 践和理论分析表明[,散体材料桩存在一临界桩长 (约4倍桩径),当桩长大于该临界桩长时,桩就不会 发生刺入破坏,故对散体材料桩而言,刺入破坏的情 况很少.此外,只要基础底面不太小或桩周土体上有 足够大的边载,也不会发生剪切破坏.因此,碎石桩 绝大多数是出现鼓胀破坏.由于组成桩体的材料无 粘结性,桩体本身强度随深度增加,桩间土抵抗桩体 鼓出的阻力也随深度增加而增加,在深部发生鼓出 破坏的可能性变小.因此,最易产生鼓出破坏的部位 在桩的上端.通常深度为两倍桩径范围内的侧向位 移较大,其下径向位移几乎可忽略不计,所以现有的 设计理论都以鼓胀破坏形式为基础_4J. 2复合地基竖向承载力计算新方法 2.1桩体侧向变形的考虑 2.1.1计算模式 设散体材料桩复合地基如图2所示,桩径d.= 2r.,单桩加固范围可由桩间距和布桩方式按d= 2r=Cgsd确定,式中sd为桩间距,采用正方形布桩 时,C=1.13;梅花形布桩时,Cg=1,05. 取单桩及其加固范围内的土体所形成的同心圆 柱体为研究对象,桩体截面面积A.: A=7cr;.(1) 图2散体材料桩复合地基 Fig.2Discretematerialpilecompositefoundation (2) 如前所述,散体材料桩在上部荷载作用下,不仅 产生竖向变形,而且存在侧向鼓胀,随着荷载增大, 复合地基发生垂直方向的固结,最终发生鼓胀而破 坏.针对这一受荷过程,同时又鉴于散体材料桩复合 地基桩土相互作用的复杂性,故作如下简化计算 假定: ?当大面积荷载施加于散体材料桩复合地基 时,桩体和桩周土之间的界面上无剪切力,即垂直应 力沿深度方向为一常数; ?在刚性基础下,桩体与桩间土体的竖向变形 一 致; ?桩体径向应力沿深度方向均匀分布. 由于桩间距的影响,需考虑桩体扩张作用影响 半径rf的大小.为简化计算将rf分为两种情况:一 是桩体的扩张作用不存在重叠,即rf<d/2;二是桩 体的扩张作用存在重叠,即rf>d/2,其中Sd为桩 间距,rf的大小可由式(3)计算[]: ..一.…,,(1一/z.)Ep(Kp一/zp), f=eXp' (3) 式中:r.为桩体的半径;E.,.为桩间土体的变形 模量和泊松比. 2.1.2桩体竖向应力计算 如图3所示,由于散体材料桩应力应变关系复 杂,为简化计算,假定散体材料桩的径向应变为一常 数5,同时忽略桩体的刚性位移,则桩体的径向应 变e等于环向应变e.p,根据弹性力学解析,桩体的 应力应变关系可表示为: 惫hzp)zp]'f41 '2~*rp+Czp)+e]? 12湖南大学(自然科学版)2007焦 若令K=Erp=(图3),则式(4)可简化为: 南一1-#p?一 急? 式中:.,为桩体单元竖向,径向应力;E,为 桩体的弹性模量和泊松比;AV印,AV分别为桩体 图3桩体的应力应变关系图 Fig.3Stress—strainrelationshipofpile 显见,若散体材料桩变形时桩体体积保持不变, 则K.=0.5;若桩体只有竖向变形而无侧向变形,则 K.=0.而实际上,成桩时不可能将碎石料等压得十 分密实,故在荷载作用下,散体材料桩既会产生竖向 的体积压缩,又伴随着侧向的体积膨胀,即K.的范 围是0<K.<0.5. 2.1.3桩间土体竖向应力计算 1)rf?sd/2. 当桩间距较大时,桩体间的扩张作用不产生相 互影响或影响很小,桩体的增强作用将得到充分发 挥,此时桩间土体的平均径向应力为: 一 dr2互 r 2/ —_,= 一 . (6) rf十r. 式中:,为桩间土体的竖向,径向应力. 根据假定,桩体与桩间土体竖向变形相等,即有 e=e,则桩间土体的竖向应力为: :一 EsErp +.(7)zs一十T'(J 式中:A为rf?d/2时桩体的扩张作用面积: A=不(r;一r)(8) 2)rf>8d/2. 当桩间距相对桩体的半径不是很大时,桩体的 扩张作用将发生重叠(图4),此时计算桩间土体应 力时,应考虑这种重叠作用所引起的桩间土体径向 应力的消减. 图4作用面积 Fig.4Planeofaction 该重叠作用比较复杂,难以精确计算.考虑到该 计算区域内只有第一排桩的作用是直接的,故本文 仅计人桩体外第一排桩的影响(图4).故桩周土体 的平均径向应力可表述为: d=(9) 式中:为径向应力折减系数,正方形布桩时: : 号.(10)不(r}一r)' 梅花形布桩时: : 号.(11)7r(r}一r)' 其中:0=2arccos(0.5sd/rf). 则相应的桩间土体的竖向应力为: +.(12) 式中:A为rf>Sd/2时桩体的扩张作用面积,即图4 所示的阴影部分面积,正方形布桩时: A=r}(7r一20)+2rfdsinO.(13) 梅花形布桩时: A=0.5r}(7c一30)+1.5rfsdsinO.(14) 2.1.4复合地基承载力计算 基于上述分析,散体材料桩复合地基承载力可 由下式计算: 印:=,孢+(1一m)p..(15) 式中:Pp=O'zpI.:0,P.=drsp[.:0;Ap为桩的面积;A 为土的作用面积;A为桩土共同作用面积;为面 积置换率,正方形布桩时: 优=A./sj(16) 三角形布桩时: 优=2A./sj(17) 在计算散体材料桩承载力前应先确定其破坏模 第6期张玲等:散体材料桩复合地基承载力计算13 式.若土体先破坏,则土体达到其极限承载力Psf'即 P.=P.f,可由式(7)或式(12)求得e,式(5)求得桩 体竖向应力,再由式(15)求得复合地基承载力;若桩 体先破坏,则P=Pf,相应地可由式(5)求得e,式 (7)或式(12)求得桩间土体竖向应力,再由式(15)求 得复合地基承载力. 2.2复合地基时效的考虑 散体材料桩复合地基在成桩过程中对土体产生 扰动,桩周土体强度下降.但随时间延续,桩周扰动 土强度逐渐恢复,复合地基承载力随时间而增 长[6】,与此同时,桩问土体强度也将随土体固结的 发展而得到提高,并对桩体的侧向约束力增大,从而 使桩体的承载力也相应提高,这就是散体材料桩复 合地基的承载力时间效应. 根据前述假定,可得复合地基荷载Psp和沉降s 呈正比关系: . (18) 式中:E.为弹性模量;?为沉降影响系数,方形承压 板取0.88,圆形承压板取0.79;为泊松比;b为承 压板的边长或直径,mm. 此外,根据太沙基一维固结理论可得: st:UtS.(19) 式中:S为t时刻复合地基沉降量;S为复合地基 最终沉降量;U为固结度,可按下式计算]: ?(U<0.53 【u=1—10一(丽).(U>0.53). 式中:为竖向固结时间因数,可参考一般土力学 方法确定. 再由式(19)可得复合地基在任意t时刻的沉降 量与初始t0时刻的沉降量的关系: St=.(21SSO)了? 式中:uto为tO时刻的固结度,uto:,N,f/4TvI,=,o. 若令1+口=TT, 则:口=一1. _ (22) 因P一S呈正比例关系,故可得: Psp,=(1+口)Psp,O.(23) 式中:Psp,t为任意t时刻复合地基的承载力;Psp,O为 t.时刻复合地基的承载力,可由式(15)确定. 3计算实例分析 某高速公路K105段软土层经现场挖掘揭露至 上而下依次为:耕植土(0.3,0.4m);灰黑色软土 (1.5,3.0m)和砂砾土夹层(0.2m);灰色软粘土 (1.0,2.5m),下伏呈土状的全风化硅化板岩J. 试验点软土的主要计算参数见表1. 表1主要计算参数 Tab;1Maincalculationparameter 孔隙比e压缩系数/(MPa)渗透系数/(m?d)排水距离/m 0.90.51.02×10—3.5 为满足路基承载力和稳定性要求,采用直径 325,配385大头型活瓣式桩尖的振动沉管碎石 桩处理软基,并铺设30cm碎石层.采用梅花形布桩 方式,桩间距为1.5m,桩端落于持力层,桩长5.2 m;桩体材料采用未风化干净砾石,砾石直径20,40 mm,自然级配,含泥量小于5%. 在该路段分别进行了碎石桩,桩间土,复合地基 的3组静载试验,其承载力值见表2. 表2碎石桩,桩问土,复合地基静载试验容许承载力值 Tab.2Bearingcapacityofdiscretematerialpile.surrounding soilandcompositefoundation 复合地基的置换率为:6%,按式(21)对散 体材料桩复合地基承载力进行计算,计算中,桩体的 弹性模量E.=24MPa,泊松比.=0.25,桩问土体 的弹性模量E.=3MPa,泊松比.=0.3.理论计算 值与试验值的对比见表3. 表3复合地基承载力试验值与计算值的对比 Tab.3Comparisonbetweentestedandcalculateddataof bearingcapacityofcompositefoundation 14湖南大学(自然科学版)2007正 采用本文理论,计人复合地基的时间效应,休止 期为30d,60d,120d,240d,480d时,施工过程中 土体的固结度已达55%,可计算得复合地基承载力 的平均增长率见表4. 表4复合地基承载力增长率与时间的关系 Tab.4Therelationshipbetweenthebearingcapacityof compositefoundationandthetime 由表4可见,碎石桩复合地基承载力随时间的 变化极为明显,且前期的日平均增长率大. 4结论 在深人探讨散体材料桩复合地基承载机理的基 础上,针对桩体受荷侧向鼓胀变形及桩复合地基承 载力随时间变化的特性,基于复合地基承载力计算 的面积比公式,提出一种散体材料桩复合地基承载 力计算的修正方法. 与常规计算方法相比,不仅考虑了散体材料桩 受荷侧向鼓胀变形及不同布桩方式的影响,还考虑 了散体材料桩复合地基承载力随时间增长的重要因 素,更符合工程的实际受力状况. 利用本文提出的复合地基承载力计算公式对某 一 具体进行了计算比较分析,理论与实测值吻合较 好;且时效分析表明,在散体材料桩复合地基承载力 计算中考虑时间效应很有必要. 参考文献 [1]韩杰,叶书麟.国外碎石桩加固技术发展的新认识[J].地基处 理,1991,2(2):15—24. 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