新型CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降計算

張定邦

(黃石理工學院土木建筑工程學院，湖北黃石435003)

1 新型 CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基的沉降機理分析

新型CFG樁板結(jié)構(gòu)是適用于處理深厚松軟土地基的一種新的結(jié)構(gòu)型式，該結(jié)構(gòu)主要由CFG樁、鋼筋混凝土樁和鋼筋混凝土承載板組成［1］，其主要的工作機理是:通過承臺板將上部荷載傳遞到樁體，樁體把荷載擴散到樁間土、下臥層或樁基底巖石層，從而達到控制松軟土路基沉降與變形破壞的目的。CFG樁板結(jié)構(gòu)復合路基示意圖如圖1所示。

CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基的加固機理可以概括為樁體的置換作用、樁對土體的擠密和加筋作用以及承載板對外荷載的調(diào)整均化作用［2－4］。

在豎向荷載的作用下，樁板結(jié)構(gòu)的承載板底面土、樁間土、樁端以下土都參與工作，承載板、樁群、土形成一個相互作用、共同工作的體系。

圖1 CFG樁板結(jié)構(gòu)復合路基示意圖

在復合地基設計中，一般把承載板看作是聯(lián)系各個樁，將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到樁上的一種構(gòu)件。研究表明，樁與承載板的工作機理比較復雜，在樁與承臺共同作用的情況下，它們可以像鋼筋混凝土中鋼筋與混凝土那樣，進行應力再分配而互相調(diào)整。樁與承載板的共同作用提高了樁基礎的承載力。

事實上，樁與承載板共同分擔荷載的問題的實質(zhì)是樁、承載板和土體的共同作用。樁與承載板的共同作用離不開土的參與，隨著上部荷載的增加，荷載開始向樁轉(zhuǎn)移，在荷載增加的過程中，荷載較多地傳給樁體，而較小分配給土。對于摩擦型群樁，承載板的下沉引起其底下土的沉降，承載板將部分荷載轉(zhuǎn)移給樁，樁由于受荷增大而產(chǎn)生相應的貫入沉降，這又會引起承載板對土的壓力的增大，迫使樁間土進一步壓縮。樁的貫入變形與樁間土的壓縮變形就這樣經(jīng)歷著反復循環(huán)、協(xié)調(diào)的過程。樁與承載板的共同作用，就是地基土的固結(jié)導致基礎的沉降，從而產(chǎn)生樁與承臺相互作用、相互影響的變化過程。

2 新型CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基的沉降變形計算方法分析

2.1 目前采用的沉降計算方法

CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基的沉降 S可以認為由3部分組成，CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降變形圖如圖2所示。

式(1)中:

S1—樁長范圍內(nèi)土的壓縮變形;

S2—加固區(qū)下臥層的變形;

S3—承載板的壓縮變形。

圖2 CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降變形圖

由于承載板厚度較小，剛度較大，其壓縮變形量很小，因此可以忽略不計。加固區(qū)土的壓縮變形S1和下臥層的變形S2可采用以下3種方法計算。

2.1.1 應力修正法

應力修正法的基本思路是:認為樁體和樁間土體壓縮量相等，計算出樁間土的壓縮量則可以得到復合地基的壓縮量。在計算樁間土的壓縮量時，忽略樁體的作用，根據(jù)樁間土分擔的荷載，以樁間土的壓縮模量，按分層總和法汁算。計算時采用荷載P在基礎底面樁間土產(chǎn)生的附加應力作為荷載計算加固區(qū)壓縮變形S1，采用荷載 P在下臥層產(chǎn)生的附加應力作為荷載計算下臥層壓縮變形S2。

當荷載不超過復合地基承載力時，按下式計算復合地基沉降:

式(2)中:

n—加固區(qū)土分層數(shù);

m—下臥層土分層數(shù);

Δσ1i—樁間土應力在加固區(qū)第i層土中產(chǎn)生的平均附加應力(kPa);

Δσ2j—荷載P在下臥層第j層土中產(chǎn)生的平均附加應力(kPa);

Esi—加固區(qū)第i層土壓縮模量(kPa);

Esj—下臥層第j層土壓縮模量(kPa);

hi—加固區(qū)第i層土的分層厚度(m);

hj—下臥層第j層土的分層厚度(m);

ψ—沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，參照《鐵路路基設計規(guī)范TB10001－2005》取值。

2.1.2 復合模量法

復合模量法的原理是:將復合地基加固區(qū)的增強體和基體2個部分視為1個復合體，采用復合壓縮模量Es表征復合土體的壓縮性，采用分層總和法計算其復合地基加固區(qū)壓縮量。計算時，按照地基的地質(zhì)分層情況，將地基分成若干層，假定加固區(qū)的復合土體為與天然地基分層相同的若干層均質(zhì)地基，不同的是壓縮模量都相應擴大ξ倍，這樣加固區(qū)和下臥層均按分層總和法進行沉降計算。

當荷載不超過復合地基承載力時，總沉降量S為:

式(3)中:

n—加固區(qū)土分層數(shù);

m—總的分層數(shù);

Δσi—荷載P在第i層土中產(chǎn)生的平均附加應力(kPa);

Esi—第i層土壓縮模量(kPa);

hi—第i層土的分層厚度(m);

ψ—沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，參照《鐵路路基設計規(guī)范TB10001－2005》取值;

ξi—加固區(qū)第 i層土壓縮模量放大系數(shù)，由下式確定:

式(4)中:

fsp—復合地基承載力標準值;

fk—天然地基承載力標準值。

2.1.3 樁身壓縮量法

樁身壓縮量法的基本思路是:計算出樁身的壓縮量和樁身刺入下臥層的量就可以得到地基整體的壓縮量。用公式表示為:

式(5)中:

Sp—樁身壓縮量;

Sc—樁身刺入下臥層的量。

樁身壓縮量由作用在樁身上的荷載和樁身的變形模量來計算，即:

式(6)中，l為樁長，n為下臥層分層數(shù)，其他符號意義同上。

2.2 沉降計算方法分析

目前，以上3種方法在工程上均在被采用，但是這3種方法均存在一定的局限性。

應力修正法適用于樁的面積置換率較低，樁間距較大的情形，此時以樁間土作為計算對象比較符合實際，但工程中置換率很低的情形畢竟是少數(shù)。再者，應力修正法忽略了樁的存在使附加應力衰減時產(chǎn)生的“遮擋”作用，這種作用致使樁間土附加應力比采用天然地基均質(zhì)土層中的附加應力要大，盡管樁同時對樁間土在壓縮過程中的變形產(chǎn)生了側(cè)限作用，但工程實踐表明采用式(2)計算時，所得得結(jié)果偏小，同時該方法還存在以下3個缺點:①計算時需要知道樁土應力比n，而該值很難確定;②計算中忽略了樁體的存在，無法反映樁體對樁間土的約束作用，因此計算出的壓縮量值比實際偏大;③認為樁身與樁間土壓縮量相等，這實際隱含有一個假定，即基礎為剛性，在樁頂面樁土變形協(xié)調(diào)。

復合模量法采用了簡單的壓縮模量放大法，但是許多土類的壓縮模量之比并不與承載力標準值之比相對應。盡管計算公式(3)中采用了《鐵路路基設計規(guī)范TB10001－2005》中的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，但并不能完全反映以上因素。再者，采用此種計算法未考慮樁端土的強度，也未考慮軟土在加固區(qū)的上部或下部所導致的不同結(jié)果。

樁身壓縮量法需要計算樁身的應力，但是樁身應力計算牽涉到摩阻力的分布、端承力的大小以及樁頂應力等極難獲得的量值，即使在最為簡單的情況下，如假設摩阻力均勻分布和端承力為零的情況，也要牽涉到計算樁土應力比n值，n值也不易獲得。

3 新型CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降計算實例

選取具有代表性的某高速鐵路軟土路基，分別運用上述計算方法對軟土路基沉降量進行計算分析，并對比分析計算結(jié)果，找出相對較好的CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降計算方法。

3.1 地基土層基本參數(shù)

地基土體取自某高速鐵路軟土地基［5］，主要軟土層在第2層，該地基土自上而下分述如下:

第1層:粘土，灰褐色，濕，松散，含生活及建筑垃圾。層厚:0.50～1.00 m。

第2層:淤泥質(zhì)粘土，深褐色，軟塑，局部流塑，干強度差。層厚:12～30 m。

第3層:亞粘土，黃褐色，軟塑，局部流塑，干強度較差。層厚:10～13 m。

第4層:粉砂，灰褐色，可塑，切面稍光滑，干強度中等。

勘察范圍穩(wěn)定水位埋深4.8～5.2 m，為第4紀孔隙潛水。各層土的物理力學性質(zhì)指標見表1。

表1 各層土的物理力學性質(zhì)指標匯總表

3.2 計算條件

擬用CFG樁板結(jié)構(gòu)對該地基進行處理，樁徑0.5 m，有效樁長為15 m，按正方形布置，樁間距2.5 m，承載板長 ×寬 ×高:12.5 m× 10 m×0.70 m，單樁極限承載力取為500 kPa，垂直均布矩形荷載作用于承載板頂部，軟土層厚度取為20 m;要求復合地基承載力特征值達到240 kPa。

3.3 計算結(jié)果及分析

運用前面列出的沉降計算公式對復合地基沉降量進行計算，計算結(jié)果分別如圖3、表2所示。

圖3 荷載—沉降關(guān)系曲線

表2 復合地基沉降計算結(jié)果(P=300 kPa)

應力修正法:計算中計算應力修正系數(shù)需要用到樁土應力比，由于影響樁土應力比因素很多，所以樁土應力比很難選用一個合理值，另外，由于在計算中忽略了樁體的存在致使計算值往往偏大。本工程用應力修正法計算結(jié)果為42.0 mm，可能是偏大的計算結(jié)果。

復合模量法:由于未考慮樁體和樁間土在荷載作用下共同作用引起的復合模量的改變，復合模量實際上要比計算中按樁體模量和樁間土的面積加權(quán)之和大，因此，可以認為復合模量法計算的結(jié)果是偏安全的。本工程用復合模量法計算結(jié)果為35.4 mm，應該是合理的計算結(jié)果。

樁身壓縮量法:同應力修正法一樣，計算中需要用到樁土應力比，

由于影響樁土應力比因素很多，所以樁土應力比很難選用一個合理值，另外，樁體刺入下臥層的刺入量也很難計算，并且樁底端的端承力的估計可能誤差也會較大，樁側(cè)的摩阻力的分布也會影響計算結(jié)果。本工程用樁身壓縮量法計算，計算過程中樁體刺入下臥層的刺入量，由于很難計算，忽略處理，樁底端的端承力假定為0，結(jié)果為31.6 mm，可能是偏小的計算結(jié)果。

綜上所述，由于復合模量法的計算影響因素比應力修正法和樁身壓縮量法少，并且計算結(jié)果是偏安全的，所以該方法是一個相對較好的復合地基沉降計算方法。

4 結(jié)束語

通過新型CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降計算分析，研究了該結(jié)構(gòu)的沉降計算方法，并得到以下結(jié)論:

1)目前在工程中使用較為廣泛的3種復合地基沉降計算方法各有優(yōu)缺點，在計算新型CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降時，必須根據(jù)復合地基的加固機理合理選用合適的計算方法。

2)運用上述3種復合地基沉降計算方法分別對CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基進行沉降計算，通過對這3種方法計算結(jié)果的對比分析，找出了合適的CFG樁板結(jié)構(gòu)復合地基沉降計算方法——復合模量法。

［1］ 張定邦.軟土路基中的新型CFG樁板結(jié)構(gòu)試驗研究［J］.黃石理工學院學報，2010(4):25－29

［2］ 李少和，易發(fā)成，張遠浩.CFG樁復合地基的基本原理及工程應用［J］.礦業(yè)快報，2004(11): 25－28

［3］ 張尚東，婁國充，劉俊彥.CFG樁復合地基特性分析及承載力計算［J］.石家莊鐵道學院學報，2000，13(Z1):15－18

［4］ 范偉霞，周建，俞亞南.CFG樁復合地基承載力公式β參數(shù)取值分析［J］.工業(yè)建筑，2006，36 (3):71－75

［5］ 王炳龍.高速鐵路軟土地基路基工后沉降的預測與控制［D］.［博士論文］.上海:同濟大學，2003