散體材料樁復(fù)合地基沉降計算方法探討

張鳳濤

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300000)

近年來，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，遇見的地基問題也越來越多，這就不可避免的要運(yùn)用地基處理技術(shù)來解決這個問題。其中散體材料樁(如振沖碎石樁、砂樁等)由于技術(shù)簡單、施工簡便，得到越來越廣泛的應(yīng)用。但由于散體材料樁復(fù)合地基的復(fù)雜性，其沉降計算的理論還不成熟。

1 散體材料樁復(fù)合地基沉降工作機(jī)理

散體材料樁與剛性樁(如CFG樁等)不同，主要由散體材料組成，如砂和碎石等。散體材料自身沒有膠結(jié)力，需要樁周土形成約束才能作為增強(qiáng)體。當(dāng)散體材料樁復(fù)合地基受到外力時，由于散體材料沒有膠結(jié)力，自然產(chǎn)生橫向變形，受到樁周土體的約束，最終樁土協(xié)調(diào)一致共同變形。在分析碎石樁或砂樁的橫向變形基礎(chǔ)上建立的沉降計算方法，將散體樁橫向變形用在極限狀態(tài)分析當(dāng)中。

2 沉降計算方法

2.1 復(fù)合模量法

散體材料樁復(fù)合地基樁土模量比不大，樁土應(yīng)力比也不大，樁土變形協(xié)調(diào)，樁周土與樁體的強(qiáng)度發(fā)揮基本一致，因此實(shí)際工程中沉降量一般用復(fù)合模量法。

復(fù)合地基的沉降模量按下式計算:

其中，Esp'，Ep'，Es'分別為復(fù)合地基、碎石樁、樁周土的沉降模量。

復(fù)合模量法的關(guān)鍵問題是復(fù)合模量的確定。很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，如蔡飛、李廣信［1］認(rèn)為碎石樁樁側(cè)摩阻力為折線分布與試驗(yàn)結(jié)果較一致，得到碎石樁樁體壓縮模量公式為:

其中，Lt為載荷P對碎石樁的影響深度;Ka為主動土壓力系數(shù);v為碎石樁的泊松比。

盛崇文［2］認(rèn)為彈性模量可通過載荷試驗(yàn)P—S曲線確定:

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正可得沉降模量E':

其中，w為載荷板形狀系數(shù);E為彈性模量;v為泊松比;P為平均荷載，kPa。

對于剛性基礎(chǔ)，盛崇文認(rèn)為 Esp'=nEs'，其中，n為樁土應(yīng)力比，而:

在盛崇文理論框架下，姜前［3］對由載荷試驗(yàn)推求碎石樁的變形模量進(jìn)行了改進(jìn):

其中，H為載荷P對碎石樁的影響深度;S為單樁載荷試驗(yàn)對應(yīng)于荷載P的沉降值。

2.2 沉降折減法

復(fù)合地基加固區(qū)沉降的計算目前較多采用的是沉降折減法，考慮復(fù)合地基發(fā)揮的作用而對天然地基的沉降量進(jìn)行折減的方法，其計算公式有多種。常根據(jù)天然地基的沉降量S0，由面積置換率m，樁土應(yīng)力比n，通過沉降折減系數(shù)來求出，即:

因此，重要的一點(diǎn)是如何求得合理的n值，也可以說是β。

郭蔚東［4］應(yīng)用應(yīng)力剪脹理論，提出了考慮到樁土剪脹性的樁土應(yīng)力比和沉降折減系數(shù)的簡明實(shí)用計算公式。

張定［5］根據(jù)剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基中樁與土在荷載作用下變形的連續(xù)性和協(xié)調(diào)性，分析樁與土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，并建立樁土應(yīng)力比表達(dá)式及復(fù)合地基的沉降折減系數(shù)計算公式。

2.3 分段計算法

對散體材料樁復(fù)合地基樁與樁間土的相互作用進(jìn)行研究，根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)表明:在樁頂附近2倍樁徑深度范圍內(nèi)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。散體材料樁在一定深度內(nèi)發(fā)生鼓脹破壞，因此，將復(fù)合地基分為鼓脹段、非鼓脹段和下臥層3段進(jìn)行沉降計算。鄧修甫［6，7］提出將碎石樁簡化成等體積墻體，將樁體分為鼓脹段與非鼓脹段計算沉降，并推導(dǎo)出相應(yīng)的計算公式。孫林娜［8］假定樁—土協(xié)調(diào)變形，利用彈性力學(xué)空間問題理論推導(dǎo)出散體材料樁復(fù)合地基的沉降計算公式。

3 沉降計算方法評述

3.1 復(fù)合模量法

龔曉南［9］通過電算模擬分析，得出結(jié)論:上部的復(fù)合加固土層壓縮模量Esp'與下臥土層壓縮模量Es'的比值大約為1.6～2.2。這種情況應(yīng)力分布近似于均質(zhì)地基。故對散體材料樁復(fù)合地基的應(yīng)力分布，宜按均質(zhì)地基計算較為合理、簡便、實(shí)用。

3.2 沉降折減法

上述各種求沉降折減系數(shù)的方法都是在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用不同的理論推導(dǎo)所得，均有一定的適應(yīng)性和局限性。郭蔚東［4］是應(yīng)用應(yīng)力剪脹理論針對飽和黃土而推導(dǎo)出沉降折減系數(shù)，對其他土質(zhì)有一定的局限性，另外計算樁土應(yīng)力沒能考慮面積置換率的影響。張定［5］根據(jù)復(fù)合地基樁土應(yīng)力應(yīng)變連續(xù)協(xié)調(diào)的原理，其作用機(jī)理能較好的反映實(shí)際情況，適用性較強(qiáng)，該法在形式上與應(yīng)力修正法有相似之處，但機(jī)理分析不同，它是根據(jù)復(fù)合地基中樁土應(yīng)力及變形的協(xié)調(diào)關(guān)系導(dǎo)出的。

3.3 分段計算法

將樁體分為鼓脹段與非鼓脹段計算沉降，反映了碎石樁復(fù)合地基在深度范圍內(nèi)各自的工作性狀，物理意義明確。鄧修甫［6，7］考慮了樁徑和樁距對加固效果的影響，比較合理。但不足之處在于這種方法沒有考慮樁土的共同作用問題，孫林娜［8］將散體材料樁復(fù)合地基樁與樁間土的相互作用視為空間問題，比較符合實(shí)際。

4 結(jié)語

上述這些方法都是基于剛性基礎(chǔ)下樁土等應(yīng)變的假定，將其用于公路和鐵路路堤等柔性基礎(chǔ)下的加固區(qū)沉降計算時，往往與實(shí)際值差異很大。另外，碎石樁本身具有良好的透水性，在荷載作用下，樁間土孔隙壓力向樁體轉(zhuǎn)移消散，上述這些方法都忽略了樁間土的排水固結(jié)而引起的樁間土有效應(yīng)力增大和強(qiáng)度提高對沉降計算的影響。由于上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基三部分是不可分割的統(tǒng)一整體，在荷載作用下，各部分的性狀相互影響，所以建立考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、復(fù)合地基共同作用的沉降方法更符合實(shí)際情況。

［1］李廣信，蔡 飛.旁壓試驗(yàn)在計算碎石樁荷載沉降關(guān)系中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，1993(6):13-15.

［2］盛崇文.碎石樁復(fù)合地基的沉降計算［J］.土木工程學(xué)報，1986，19(1):72-80.

［3］姜 前.計算碎石樁復(fù)合地基變形模量的新方法［J］.巖土工程學(xué)報，1992，14(4):53-58.

［4］郭蔚東，錢鴻縉.飽和黃土碎石樁地基沉降計算［J］.土木工程學(xué)報，1989，22(2):13-21.

［5］張 定.散體材料復(fù)合地基中樁體變形模量的分析與計算［J］.巖土工程學(xué)報，1999，21(2):205-208.

［6］鄧修甫，王祥秋.干振碎石樁復(fù)合地基沉降計算方法探討［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003(3):92-94.

［7］鄧修甫，劉新華，張 琳.碎石樁復(fù)合地基沉降計算方法［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，2003，18(4):55-57.

［8］孫林娜，龔曉南.散體材料樁復(fù)合地基沉降計算方法的研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(3):846-848.

［9］龔曉南，陳明中.關(guān)于復(fù)合地基沉降的一點(diǎn)看法［J］.地基處理，1998，9(2):10-18.