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    樁承式加筋墊層路堤地基承載力計算方法

    2010-05-31 06:10:36曾革周志剛
    關(guān)鍵詞:筋材土工路堤

    曾革 ,周志剛

    (1. 長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,湖南 長沙,410076;2. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院,湖南 益陽,413000)

    在公路修建過程中,經(jīng)常會遇到大量軟土地基,為保證公路路堤地基承載力要求,需對軟弱地基進行處理后再填筑路堤。在工程實踐中,普遍采用樁與加筋墊層聯(lián)合作用加固軟土地基,即在用群樁基礎(chǔ)豎向加固軟土地基的同時,在樁頂上鋪設(shè)由具有較高強度和抗拉模量的土工合成材料與墊層材料組成的復(fù)合加筋結(jié)構(gòu),形成平鋪加筋群樁復(fù)合地基(樁承式加筋墊層路堤結(jié)構(gòu))。工程應(yīng)用與理論分析結(jié)果表明:加筋墊層能有效促進樁土共同作用,強化群樁整體效果;能有效改善地基應(yīng)力分布;能有效改變和阻止塑性區(qū)的形成和發(fā)展,增強地基剛度;能有效控制地基沉降與不均勻沉降;能明顯提高地基的承載力和穩(wěn)定性[1-5]。樁承式加筋墊層路堤地基近似于柔性基礎(chǔ)下的復(fù)合地基,這類復(fù)合地基在受力后的變形、強度性狀與剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基相比有較大差異,作用機理復(fù)雜[6-7]。目前,人們主要對建筑工程中柔性基礎(chǔ)下的復(fù)合地基承載力的理論計算與方法進行研究,而對道路工程的研究卻較少。國內(nèi)外學(xué)者仍然套用剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基承載力計算公式,沒有綜合考慮基礎(chǔ)剛度、置換率、加筋墊層對地基承載力的影響。常用計算方法有筋材的應(yīng)變及應(yīng)力法[8]、樁土應(yīng)力比法[9]、有限元法[5,10-13],其中:筋材的應(yīng)變及應(yīng)力法通過對筋材的應(yīng)變及應(yīng)力進行分析,再計算地基承載力,典型方法有Catenary法、Carlsson法、BS8605法和SINTEF法;樁土應(yīng)力比法通過先計算加筋墊層下樁土應(yīng)力比,進而計算地基承載力;有限元法通過建立樁與加筋墊層的有限元模型進行彈塑性數(shù)值計算,從而計算地基承載力。筋材的應(yīng)變及應(yīng)力法、樁土應(yīng)力比法是以加筋墊層中筋材的受力狀況為研究對象推導(dǎo)的,但公式中的參數(shù)較難取得,應(yīng)用較困難。有限元法中模型的建立過程復(fù)雜,參數(shù)不易選取,較難用于工程設(shè)計。為此,本文作者視樁承式加筋墊層路堤的地基承載力為下承樁體復(fù)合地基的承載力與加筋墊層及邊坡土體壓力作用增加的承載力之和,通過力學(xué)分析,綜合考慮基礎(chǔ)剛度、置換率、墊層擴散作用、加筋拉力作用、邊坡土體壓力作用對地基承載力的影響,提出1種實用的計算公式與驗算方法,并在此基礎(chǔ)上通過工程實例對地基承載力進行計算與驗算。

    1 樁承式加筋墊層路堤提高地基承載力的機理

    樁承式加筋墊層路堤由于樁體與樁間土變形不協(xié)調(diào),易導(dǎo)致墊層破壞失效,為此,在墊層中加入模量較高的筋材,以增強其抗拉能力,更有效地均化與擴散應(yīng)力,提高樁土復(fù)合地基的整體工作性能。樁承式加筋墊層路堤設(shè)計的典型斷面如圖 1所示,其中,d為樁徑;s為樁間距。樁承式加筋墊層路堤提高地基承載力的機理是:在路堤荷載作用下,一是樁體對路堤分擔(dān)荷載;二是土與加筋的摩擦作用,筋材拉力的垂直分量使荷載分布在更大面積上,增大荷載的應(yīng)力擴散效果,使地基中應(yīng)力分布趨向均勻;三是筋材與土體變形模量不同,筋材與土體接觸面發(fā)生相對位移并產(chǎn)生摩擦力,土體發(fā)生側(cè)向變形時筋材被拉伸,筋材對土體產(chǎn)生約束作用,提高軟土地基淺部的位移場和應(yīng)力場,使土體抗剪強度提高,抗變形能力增強,地基承載力和穩(wěn)定性提高;四是邊坡土體的壓力作用對地基承載力的提高作用。

    2 樁承式加筋墊層路堤地基承載力的計算

    樁承式加筋墊層路堤地基承載力計算包括下承樁體復(fù)合地基承載力的計算與樁頂加筋墊層及邊坡土體壓力作用增加的承載力計算。

    2.1 下承樁體復(fù)合地基承載力計算

    現(xiàn)有樁基礎(chǔ)理論大都采用“樁土等應(yīng)變”假設(shè),但樁承式加筋墊層路堤地基近似于柔性基礎(chǔ)下的復(fù)合地基,在荷載作用下,樁間土的沉降明顯大于樁頂沉降。試驗研究和數(shù)值模擬分析結(jié)果表明:在2種不同剛度基礎(chǔ)作用下,樁承式加筋墊層地基中樁的工作性狀存在較大差異,基礎(chǔ)剛度與置換率對復(fù)合地基受力與變形性狀有較大影響,減小基礎(chǔ)剛度與提高置換率有利于提高樁間土體承載力。樁體對樁間土體承載力的提高隨基礎(chǔ)剛度(即路堤填土模量)的減小而增大,隨置換率的提高而增大[5,14-15]。可見:與剛性基礎(chǔ)相比,路堤基礎(chǔ)下樁承式加筋墊層地基承載力的計算不同。根據(jù)以上分析,參照文獻[16]中關(guān)于剛性基礎(chǔ)樁體復(fù)合地基承載力計算公式的形式,引入基礎(chǔ)剛度影響系數(shù)考慮基礎(chǔ)剛度對樁間土體承載力的影響,提出路堤基礎(chǔ)下承樁體復(fù)合地基承載力可按下式進行計算:

    圖1 樁承式加筋墊層路堤設(shè)計示意圖Fig.1 Scheme of pile-supported reinforced cushion embankment

    式中:fsp,k為樁體復(fù)合地基承載力特征值(kPa);m為面積置換率;Ra為單樁豎向承載力特征值(kN);Ap為樁的截面積(m2);β0為樁間土承載力折減系數(shù),根據(jù)下臥層土體強度,在 0.50~0.95取值,當(dāng)天然地基承載力較高時取較大值;β1為基礎(chǔ)剛度影響系數(shù),根據(jù)路堤填土模量,在1.2~2.0取值;β2為樁間土承載力提高系數(shù),根據(jù)復(fù)合地基置換率,在 1.1~1.6取值;fs,k為樁間天然地基土承載力特征值(kPa)。

    對于單樁豎向承載力特征值Ra的取值,當(dāng)采用單樁載荷試驗時,應(yīng)將單樁極限承載力除以安全系數(shù)2;當(dāng)無單樁載荷試驗資料時,可按下式估算:

    式中:up為樁的周長(m);k為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);qsi和qp分別為樁周第i層土的側(cè)阻力和樁端阻力特征值(kPa);li為第i層土的厚度(m)。

    2.2 樁頂加筋墊層增加的承載力計算

    樁頂設(shè)置加筋墊層后,增加的承載力主要包括 3部分:一是加筋墊層應(yīng)力擴散作用增加的承載力Δf1;二是筋材拉力向上分力增加的承載力Δf2;三是筋材拉力的反作用力側(cè)限作用增加的承載力Δf3。加筋墊層荷載作用圖如圖2所示(其中:p為加筋墊層上的均布荷載;T為單層筋材拉力;pz為土層支撐力)。在設(shè)計計算中,取路基中部受荷最大的墊層進行受力分析與設(shè)計,以路線橫向一排樁的影響范圍作為路堤基礎(chǔ)的計算寬度 B,以路基頂面寬度以下路堤基礎(chǔ)作為計算長度L。設(shè)樁徑為d,樁間距為s,當(dāng)樁采用等三角形布置時,B=0.866s;當(dāng)樁采用正方形布置時,B=s。為便于計算,進行以下假設(shè)[17]:加筋墊層沿著墊層的應(yīng)力擴散線發(fā)生破壞;筋材的拉力方向與加筋墊層的破壞面垂直。

    圖2 加筋墊層受力圖Fig.2 Forces acting on geobelt reinforced cushion

    2.2.1 加筋墊層應(yīng)力擴散作用增加的承載力Δf1

    對于條形基礎(chǔ)(L/B≥10),加筋墊層應(yīng)力擴散作用增加的承載力Δf1按下式計算:

    對于矩形基礎(chǔ)(1≤L/B≤10),加筋墊層應(yīng)力擴散作用增加的承載力Δf1按下式計算:

    式中:Z為墊層厚度(m);γ為墊層重度(kN/m3);θ為墊層壓力擴散角(°)。

    加筋墊層上路堤荷載 p包括路基本體自重(p1)和車輛荷載(p2)。

    (1) 路基本體自重(p1)為:

    式中:n為路基填土分層總數(shù);iγ和hi分別為路堤各分層的重度和厚度。

    (2) 車輛荷載(p2)。采用擴散角理論計算墊層所承受的車輛荷載。設(shè)車輛荷載壓力擴散角為α,車輛荷載集度為q,路基頂面寬度為A(A=L),路基高度為H,則

    根據(jù)以上分析,可得作用在墊層上的均布荷載 p為:

    2.2.2 筋材拉力向上分力增加的承載力Δf2

    對于條形基礎(chǔ)(L/B≥10),加筋帶拉力向上分力增加的承載力Δf2按下式計算:

    對于矩形基礎(chǔ)(1≤L/B≤10),加筋帶拉力向上分力增加的承載力Δf2按下式計算:

    式中:0α為筋材拉力與水平面夾角(°),一般取10°~17°[18];θ 為穩(wěn)定時加筋墊層的應(yīng)力擴散角(°)(對于雙層加筋,碎(砂)石取36°,灰土取33°,對于單層加筋,碎(砂)石取26°[4,19]);K為筋材容許抗拉強度的安全系數(shù),取2.5[19-20];n為加筋層數(shù)。

    2.2.3 筋材拉力的反作用力側(cè)限作用增加的承載力Δf3

    筋材拉力的水平反作用力側(cè)限作用增加的承載力Δf3可按以下方法計算。

    (1) 首先計算 n層筋材設(shè)計拉力的水平分力,除以側(cè)向限制面積,得到水平限制應(yīng)力增量。

    (2) 用極限平衡條件求水平限制應(yīng)力對應(yīng)的豎向應(yīng)力增量,即為筋材拉力的反作用力側(cè)限作用增加的承載力Δf3。

    對于條形基礎(chǔ)(L/B≥10),Δf3按下式計算:

    對于矩形基礎(chǔ)(1≤L/B≤10),Δf3按下式計算:

    式中:φ為地基土的內(nèi)摩擦角(°)。

    2.3 邊坡土體壓力作用提高的承載力計算

    路堤邊坡土體對基礎(chǔ)計算范圍內(nèi)地基的壓力作用對計算范圍內(nèi)地基承載力有提高作用,可等效于因基礎(chǔ)埋深增加后引起的地基承載力增加。取路堤高度H的1/2作為基礎(chǔ)的埋深D,邊坡土體壓力作用提高的承載力Δf4可按下式計算:

    式中:ηd為墊層埋深的地基承載力修正系數(shù);根據(jù)墊層以下土類,按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范取值;D為基礎(chǔ)埋置深度,取路堤高度的1/2(m);mγ為墊層頂面以上路堤的加權(quán)平均重度(kN/m3)。

    2.4 樁承式加筋墊層路堤地基承載力計算

    樁承式加筋墊層路堤地基承載力f為下承樁體復(fù)合地基承載力與加筋墊層及邊坡土體壓力作用增加的承載力之和,即

    3 承載力驗算

    樁承式加筋墊層路堤地基承載力驗算包括加筋墊層承載力驗算和加筋墊層下土層承載力驗算2個方面。

    3.1 加筋墊層承載力驗算

    加筋墊層承載力的驗算公式為:

    式中:f為加筋墊層的承載力(kPa)。

    3.2 加筋墊層下土層承載力驗算

    加筋墊層下土層承載力的驗算公式為:

    式中:pcz為墊層產(chǎn)生的自重應(yīng)力(kPa);pk為墊層應(yīng)力擴散后底面處的平均壓應(yīng)力(kPa);p0為加筋墊層下土層承載力(kPa)。墊層應(yīng)力擴散后底面處的平均壓應(yīng)力pk按下式計算:

    4 計算實例

    4.1 工程概況

    某高速公路路基頂面寬為27.0 m,路基填土高度為12.5 m,邊坡坡度為1.0∶1.5,路堤地基土質(zhì)呈層狀連續(xù)分布,土層主要物理力學(xué)指標(biāo)及分布情況如表 1所示。土體承載能力低,地基達不到強度和穩(wěn)定性要求,需對地基進行加固處理。

    4.2 設(shè)計方案

    此路基如果只采用加筋墊層處理,即使承載力能達到要求,但由于地基中存在2.4~5.1 m厚的淤泥和1.5~3.5 m厚的淤泥夾砂層,會產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降。對方案進行比較,擬采用粉噴樁復(fù)合地基配合土工格柵加筋墊層方案,即在墊層底下強風(fēng)化花崗巖以上的土層內(nèi)進行粉噴樁處理,構(gòu)成復(fù)合地基,以減小沉降。樁徑d取0.6 m,樁間距s取1.5 m,采用等三角形布置,樁豎向承載力特征值Ra取400 kN。墊層采用0.6 m厚經(jīng)土工格柵加筋級配碎石砂墊層;布置兩層土工格柵:第1層鋪在離加筋墊層底面20 cm處,第2層鋪在距加筋墊層頂面20 cm處。

    4.3 計算參數(shù)

    基礎(chǔ)計算寬度B=1.299 m,計算長度L=27 m,路堤填料重度γm=19.0 kN/m3,墊層重度γ=22.0 kN/m3,車輛荷載為公路Ⅰ級,車輛荷載壓力擴散角α=30°,墊層應(yīng)力擴散角 θ=36°,筋材拉力與水平面夾角0α=17°,天然地基土體等效內(nèi)摩擦角φ=6.95°,土工格柵抗拉強度T=107.0 kN/m,安全系數(shù)K=2.5,置換率m=0.145,樁間土承載力折減系數(shù)β0取0.60,基礎(chǔ)剛度影響系數(shù)β1取1.4,樁間土承載力提高系數(shù)β2取1.2,基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)ηd取1.0。

    4.4 承載力驗算

    4.4.1 加筋墊層承載力驗算

    先按式(1)計算 fsp,k,然后按式(3),(8),(10)和(12)分別計算Δf1,Δf2,Δf3和Δf4。經(jīng)計算,得 p≤f,加筋墊層滿足承載力要求。加筋墊層承載力驗算結(jié)果如表2所示。

    4.4.2 加筋墊層下土層承載力驗算

    通過計算,得 pk+pcz≤p0,加筋墊層下土層滿足承載力要求。下承樁體復(fù)合地基承載力驗算結(jié)果如表3所示。

    4.5 承載力影響因素分析

    上述實例通過采取樁承式加筋墊層對軟土地基進行加固處理,加筋墊層的承載力f達571.59 kPa,為原天然土層承載力(80.00 kPa)的7.14倍;加筋墊層下土層承載力p0達292.17 kPa,為原天然土層承載力3.65倍。這表明采取樁承式加筋墊層對軟土地基加固處理效果明顯?;A(chǔ)剛度、樁體置換作用、墊層擴散作用、加筋拉力作用、邊坡土體壓力作用所提高的地基承載力如表4所示。由表4可知:筋材拉力對提高地基承載力起主要作用。

    表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indices of soil layer

    表2 加筋墊層承載力驗算Table 2 Calculation and inspection of bearing capacity of geobelt reinforced cushion

    表3 加筋墊層下土層承載力驗算Table 3 Calculation of bearing capacity of soil layer under reinforced cushion

    表4 各因素提高的地基承載力Table 4 Elevated ground bearing capacity for every factor

    5 結(jié)論

    (1) 提出的樁承式加筋墊層路堤地基承載力計算公式較全面地反映了基礎(chǔ)剛度、置換率、加筋參數(shù)、加筋墊層特性、邊坡土體壓力作用對地基承載力的影響。地基承載力隨地基剛度的減小、置換率的提高、加筋層數(shù)的增加、墊層擴散作用的加強而提高,筋材拉力對提高地基承載力起主要作用。

    (2) 通過墊層加筋,改善墊層的變形特性,提高墊層剛度和應(yīng)力擴散能力,有效地發(fā)揮了墊層及其下軟土層的天然地基承載潛力。

    (3) 工程實例分析計算結(jié)果表明:所提出的樁承式加筋墊層路堤地基承載力計算公式與驗算方法思路清晰、使用簡便,可更好地指導(dǎo)工程實踐。

    (4) 為提高承載力計算的準(zhǔn)確性,需積累大量的不同布樁、不同施工工藝條件下,原狀土和加固后樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)變化數(shù)據(jù)及復(fù)合地基靜載荷試驗數(shù)據(jù),為計算公式中相應(yīng)參數(shù)的取值提供更合理的經(jīng)驗值,以提高承載力計算的準(zhǔn)確性。

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