碎石樁加固地基力學(xué)機理分析

蔣敏敏 王惠芬 韓尚宇

(1.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南鄭州 450001;2.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330000)

0 引言

碎石樁是一種應(yīng)用較早的地基處理方法，1976年后開始在我國廣泛應(yīng)用，用于處理易液化土層和軟土地基。碎石樁按施工方法分主要有振沖法、干法和沉管法等幾種，其中振沖法使用較普遍。碎石樁復(fù)合地基在地基中形成碎石墩柱，一方面會對地基土體產(chǎn)生擠密的作用，同時碎石樁體置換了承載力較低的地基土體，并且由于碎石樁體孔隙較大，具有較好的排水通道，因此固結(jié)排水作用明顯。因此碎石樁體的加固作用主要包括:擠密、置換和固結(jié)作用。

1 擠密效應(yīng)

振沖法使得周圍土體液化，顆粒重新排列分布，振沖后周圍土體密實度得到提高，在樁周依次產(chǎn)生流態(tài)區(qū)、過渡區(qū)、擠密區(qū)和彈性區(qū)。流態(tài)區(qū)強度最小，再投入碎石樁體材料，流態(tài)區(qū)和過渡區(qū)等周圍土體得到擠壓密實，強度提高，因此振沖后整個碎石樁體周圍地基的土體均得到擠密。沉管法的擠密效應(yīng)明顯，通過樁管擠壓周圍地基土體，使得樁周土體向外擴散，再在樁管中填入碎石料，樁周土體的孔隙比降低、密實度提高。沉管法的擠密效應(yīng)可使用圓孔擴張理論分析，樁周依次產(chǎn)生塑性區(qū)和彈性區(qū)。樁周塑性擠密區(qū)的半徑可表示為:

式中:r0——樁管半徑;

E——土體彈性模量;

v——土體泊松比;

cu——土體強度。

地基土體發(fā)生擠密后樁周土體承載力得到提高，抗液化性能得到增強。

2 置換效應(yīng)

碎石樁復(fù)合地基在地基內(nèi)形成碎石樁體，碎石樁體的模量、強度和承載力均高于地基土體，所形成的復(fù)合地基承載力比天然地基有較大的增強，沉降量也大大地減小，提高了地基的穩(wěn)定性。樁體和土體將共同承擔(dān)外荷載，但由于樁體的模量和承載力高于地基土體，樁體將承擔(dān)較大的荷載，因此復(fù)合地基的承載力得到提高。同時碎石樁復(fù)合地基通常還存在墊層，墊層的存在將協(xié)調(diào)樁體和土體的變形，擴散地基中的應(yīng)力集中，提高地基的承載力，減小沉降量。碎石樁復(fù)合地基的置換率對承載力和變形產(chǎn)生影響，置換率越高，復(fù)合地基承載力越大，在荷載作用下的沉降量越小。

3 固結(jié)效應(yīng)

碎石樁體中存在著較大的孔隙，具有良好的排水通道，因此碎石樁具有明顯的排水固結(jié)作用。太沙基固結(jié)理論認(rèn)為地基土體在加載初始時刻，外荷載全部由孔隙水壓力承擔(dān)，之后地基土體逐漸發(fā)生固結(jié)，孔隙水應(yīng)力降低，有效應(yīng)力增大，直至上部荷載全部由有效應(yīng)力承擔(dān)。

復(fù)合地基擾動區(qū)的滲透系數(shù)通常是變化的，離碎石樁越近，滲透系數(shù)越小，而通常的復(fù)合地基固結(jié)計算中，假設(shè)周圍土體的滲透系數(shù)相同。Han假設(shè)碎石樁復(fù)合地基沒有側(cè)向變形、邊界不透水、樁體內(nèi)沿著徑向孔壓無變化，提出碎石樁復(fù)合地基固結(jié)的簡化計算方法:

其中修正徑向固結(jié)系數(shù):

修正豎向固結(jié)系數(shù):

固結(jié)公式與太沙基一維固結(jié)理論和巴隆固結(jié)理論相似，但固結(jié)系數(shù)發(fā)生了修正。

4 結(jié)語

本文對碎石樁復(fù)合地基的加固機理進行了分析。碎石樁加固地基土體的主要效應(yīng)包括:擠密效應(yīng)、置換效應(yīng)和固結(jié)效應(yīng)。擠密效應(yīng)是在振沖和沉管作用下，擠壓周圍地基土體，使得密實度、承載力和抗液化性能均得到提高。置換效應(yīng)是由于樁體的模量和承載力較高，替換地基土體后使得地基承載力得到相應(yīng)的提高。由于碎石樁體有較大的孔隙，分析了基于擾動區(qū)滲透系數(shù)變化的碎石樁固結(jié)特性。

［1］HAN J，YE S L.Simplified method for consolidation rate of stone column reinforced foundations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127(7)：597-603.

［2］J.S.LEE，G.N.PANDE.ANALYSIS OF STONE-COLUMN REINFORCED FOUNDATIONS［J］.INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL AND ANALYTICAL METHODS IN GEOMECHANICS，1998(22)：1001-1020.

［3］A.P.Ambily，Shailesh R，Gandhi.Behavior of Stone Columns Based on Experimental［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2007，133(4)：405-415.