關(guān)于竹樁復(fù)合地基工程實(shí)測及理論的探討

唐建宇，唐紀(jì)宇

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650051)

關(guān)于竹樁復(fù)合地基工程實(shí)測及理論的探討

唐建宇，唐紀(jì)宇

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650051)

應(yīng)用土力學(xué)的基本原理，根據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)竹樁復(fù)合地基的承載力、變形和固結(jié)特征進(jìn)行了探討，認(rèn)識(shí)了其性能的實(shí)用性和科學(xué)性。

復(fù)合地基;竹樁;承載力;變形;固結(jié);穩(wěn)定性

0 引言

滇池草海由于各種污染，水草類浮游植物蔓延，加之垃圾倒入其中，使得草海淤泥沉積過厚，已經(jīng)無法繼續(xù)適合養(yǎng)殖和旅游觀光，為此昆明市政府決定對(duì)其治理。治理方法是在草海邊的低洼地帶圍埝，把淤泥抽入圍埝以內(nèi)讓其固結(jié)沉降。由于圍埝處于軟土地基上，受荷后會(huì)產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)一步發(fā)展使地基失穩(wěn)，圍埝失效，為了使工程安全，經(jīng)濟(jì)合理，經(jīng)各方研究決定，采用竹樁復(fù)合地基并進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 場地工程地質(zhì)概況

勛業(yè)樂海堆場圍埝位于滇池湖積盆地北部西部地段，圍埝及堆場位于圍海選田而成的深水魚塘內(nèi)。

據(jù)鉆孔揭露，擬建場地的主要地層及柱狀圖，見表1。工程力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 地層圖表Tab.1 Stratigraphic chart

表2 土層工程力學(xué)指標(biāo)表Tab.2 Soil Engineering Mechanics Targets

2 淺層平板載荷試驗(yàn)與單樁承載力分析

在上述地層中打入φ10 cm的竹樁，使其嵌入力學(xué)性能較好的粉土層③中，深度7.2～8.4 m，采用2.0 m×2.0 m的承壓板進(jìn)行載荷試驗(yàn)，鋪設(shè)承壓板時(shí)，將承壓板下的竹樁鋸平至淤泥表面，在樁間用砂袋鋪設(shè)。承壓板下有竹樁4顆。技術(shù)要求符合《JGJ79—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》之附錄A。

3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)處的承載力特征值分別為50 kPa，40 kPa和50 kPa。平均45 kPa，比泥炭質(zhì)土提高了10 kPa。

竹樁系絕對(duì)彈性體材料，它是依靠周圍土體的側(cè)限阻力保持其形狀并承受荷載的，其承載能力除與樁身材料的性質(zhì)(剛度)有關(guān)外，主要取決于樁周土體的側(cè)限能力。在荷重作用下，彈性材料，樁身抗彎剛度甚小，樁的存在將使樁周土體從原來主要是垂直向受力狀態(tài)改變?yōu)橹饕撬较蚴芰顟B(tài)，樁周土可能發(fā)揮對(duì)樁體的側(cè)限能力對(duì)復(fù)合地基的承載力起關(guān)鍵作用。

對(duì)于長樁(l/d ＞10)，可用 snitko(1963)[1]提出的計(jì)算方法。這個(gè)方法假定樁是無限長的彈性柱體，具有彈性支承，它的變位由水平基床系數(shù)確定。地基土彈性抗力表達(dá)為

式中:k——地基土水平基床系數(shù);

d——樁的直徑;

y——水平位移。

對(duì)竹樁來說，限制側(cè)向位移是發(fā)揮樁基垂直承載力的關(guān)鍵，即以限制側(cè)向變形來估算地基土水平反力，進(jìn)而推測樁的垂直承載力。

用“k”法來確定地基土水平基床數(shù)，見圖1。

圖1 基床系數(shù)Fig.1 Coefficient of Subgrade Reaction

根據(jù)場地土性，按昆明地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值取k=4 000 kN/m3。D取0.1 m，y取0.038 m(限制變形量，為一般柔性樁)

代入(1)得P=15 kN/m

以地基土所能提供的水平反力來推測單樁的垂直承載力標(biāo)準(zhǔn)值大約為15 kN。

通過該次12根竹樁載荷試驗(yàn)，用分別確定樁體承載力和樁間土承載力，根據(jù)一定的原則疊加兩部份承載力可得到復(fù)合地基承載力的思路，用“規(guī)范”(JGJ79－2002)所推薦的公式[2]:

確定單樁承載力特征值Ra。

若fspk=40 kPa 則Ra=8.3 kN

3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，1 點(diǎn)為40 kPa，2 點(diǎn) fsp·k為50 kPa用加權(quán)平均法Ra=15 kN

若安全系數(shù)k取2，則極限荷載Pu=30 kN。

(1)試可以用做推測柔性單樁承載力的1種經(jīng)驗(yàn)公式。竹樁單樁承載力特征值Ra近似地看成地基土所能提供的水平反力，即P=Ra=15 kN，在2 m×2 m面積上打4φ10 cm的竹樁，使地基承載力平均值由32 kPa提高到45 kPa，提高29%，應(yīng)該說效果是顯著的。

載荷試驗(yàn)的成果初步顯示，用竹樁與地基土形成復(fù)合地基能顯著提高地基的強(qiáng)度。

為進(jìn)一步撐握竹樁復(fù)合地基的應(yīng)力，應(yīng)變固結(jié)特性及處理后對(duì)圍埝穩(wěn)定性的供獻(xiàn)，指揮部決定實(shí)施勛業(yè)樂海堆場圍埝現(xiàn)場填筑試驗(yàn)，以大型模擬試驗(yàn)為工程設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。

填筑試驗(yàn)共為2個(gè)試驗(yàn)段(各取40 m長)。Ⅰ#試驗(yàn)段在天然地基上進(jìn)行填筑，Ⅱ#試驗(yàn)段在15 m×40 m地基中間距1 m插入竹樁，使其嵌入力學(xué)性能較好的粉土③層中后，鋪高竹樁后填筑。在Ⅰ#和Ⅱ#兩個(gè)試驗(yàn)段填筑過程中，分別監(jiān)測有無竹排樁的深層位移，孔隙水壓力以及圍埝表面位移，試驗(yàn)段測點(diǎn)布置圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)段測點(diǎn)布置Fig.2 Measurement Point Arrangement in Test Section

3 孔隙水壓力觀測結(jié)果與分析

圖2繪出了圍埝完成堆載88.2 kPa時(shí)的深度、孔隙水壓力曲線。從圖2可見:

(1)0～5 m范圍內(nèi)(泥炭質(zhì)土)孔隙水壓力隨深度增加而增加，說明該段地基可能失穩(wěn)的危險(xiǎn)段。

(2)5～13 m(淤泥與粉土)范圍內(nèi)孔隙水壓力隨深度的增加而減少，表明附加應(yīng)力逐漸減弱，該段處地基可能失穩(wěn)的安全段，見圖3。

(3)天然地基孔隙水壓力值大于竹樁復(fù)合地基，這說明竹樁復(fù)合地基較天然地基穩(wěn)定性提高，因?yàn)閲鼗姆€(wěn)定性用圓弧滑動(dòng)分析，穩(wěn)定系數(shù)

圖3 圍埝堆載88.2 kPa時(shí)空隙水壓力觀測成果曲線Fig.3 Interstitial－Hydraulic－Pressure Observation Results Curve When Cofferdam Heaping Load of 88.2 kPa

式中:Ci——土層凝聚力;

φ——土層內(nèi)摩擦角;

Wi——土條的重量;

αi——通過土條重心點(diǎn)的垂直與圓弧切線構(gòu)成的夾角;

Li——滑移圓弧的長度;

U——作用在土條滑移面上的孔隙水壓力。

U的減少，顯然對(duì)地基穩(wěn)定有貢獻(xiàn)。(在相鄰場地柳苑堆場曾因過大堆載發(fā)生地基失穩(wěn)事故)因此，孔隙水壓力減小可以為地基增加必要的安全貯備也將為圍埝堆高提供空間。

根據(jù)觀測值和成果曲線可知，填土后泥炭質(zhì)土層內(nèi)的孔隙壓力迅速增大，隨時(shí)間的延長，孔隙壓力值逐漸減小;而淤泥和粉土層內(nèi)的孔隙壓力值變化不大，但地基本反映加荷瞬間，孔隙壓力先增大之后減小的過程。結(jié)合土層沉降觀測資料分析，孔隙壓力值和沉降量的變化反映了孔隙壓力減小和沉降量增大的土層固結(jié)過程。

4 固結(jié)度計(jì)算

加荷后固結(jié)度隨時(shí)間的增長而增大，為了對(duì)最終沉降有所預(yù)計(jì)以及準(zhǔn)確把握各地層的固結(jié)度形特征，應(yīng)用孔隙水壓力計(jì)算固結(jié)度。

4.1 固結(jié)度計(jì)算

按固結(jié)度的定義給出的普遍表達(dá)式

式中:Ut——時(shí)間固結(jié)度;

ut——時(shí)間平均孔隙水壓力;

σ——平均附加應(yīng)力。

圖4 梯形分布?jí)毫ig.4 Trapezoid Distribution Pressure

式中:K'Z——豎向附加應(yīng)力系數(shù)，是 a/Z和 b/Z

的函數(shù)，K'Z=0.0～0.5;

P——梯形分布?jí)毫Φ淖畲髲?qiáng)度，各符號(hào)意義見圖4。

4.2 分層固結(jié)度計(jì)算[4]

式中:U——固結(jié)度;

S——基礎(chǔ)最終沉降量;

a——待定系數(shù);

St——某一歷時(shí)沉降量;

t——某一歷時(shí)。

圍埝的長高比較大，故可應(yīng)用計(jì)算平面問題的奧斯特伯格公式(5)來計(jì)算不同深度的土層附加應(yīng)力。

采用(5)式計(jì)算的各測孔儀器埋設(shè)點(diǎn)的附加應(yīng)力計(jì)算值及采用(4)式計(jì)算的固結(jié)度見表3。

由表3可看出，Ⅰ#試驗(yàn)段歷時(shí)65 d最小固結(jié)度達(dá)82.7%以上。Ⅱ#試驗(yàn)段歷時(shí)45 d最小固結(jié)度達(dá)76.7%以上。土層固結(jié)良好。

表3 孔隙壓力固結(jié)計(jì)算表Tab.3 Calculation of Interstitial Pressure Consolidation

續(xù)表3

5 最大沉降量的預(yù)測分析

通過對(duì)試驗(yàn)段分層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知，各測點(diǎn)沉降與時(shí)間的變化基本上呈雙曲線關(guān)系，故可應(yīng)用公式(7)來推求各土層的最大沉降量。針對(duì)不同土層在不同歷時(shí)觀測值進(jìn)行回歸分析確定分式(7)中的兩個(gè)待定值a和最終沉降量S。

Ⅰ#試驗(yàn)段和Ⅱ#試驗(yàn)段在所有堆載完成后，不同土層到2000年7月20日止，各土層沉降量回歸方程的參數(shù)a和最終沉降量S見表4。

表4 最大沉降預(yù)測分析結(jié)果Tab.4 Predictive Analysis Result of Maximum Settlement

從表4可以看出:回歸結(jié)果的相關(guān)系數(shù)很大，均在0.98以上，表明觀測數(shù)據(jù)可靠，選用的雙曲線回歸方程反映了土層沉降的變化規(guī)律。

Ⅰ#、Ⅱ#試驗(yàn)段地表最終沉降平均值分別為886.2 mm和370.7 mm，截止到觀測日期結(jié)束(2000年7月20日)各土層的沉降預(yù)測值和觀測值基本吻合，最大誤差為19.51 mm，歷時(shí)1 a后土層固結(jié)度均達(dá)到95%以上，土層固結(jié)良好。

6 天然地基和竹樁地基沉降觀測成果比較

Ⅰ#、Ⅱ#試驗(yàn)段各沉降觀測處各土層層位，厚度存在一定差異，觀測點(diǎn)深度亦不同，但2個(gè)試驗(yàn)段工程地質(zhì)特性相同，其力學(xué)性質(zhì)與變形特征亦本同。為此，對(duì)地表沉降量進(jìn)行比較，可以獲得試驗(yàn)段的整體宏觀性認(rèn)識(shí)，對(duì)同類土層單位沉降量的比較，可以定性了解地基不同土層的沉降規(guī)律。

經(jīng)過竹樁處理后的地基沉降量顯著降低，平均比未經(jīng)處理的地基沉降量降低56.7%，固結(jié)完成后，平均沉降量降低57%，地基經(jīng)竹樁處理后效果明顯。

7 結(jié)語

(1)深層沉降觀測表明，地基沉降主要為淺層泥炭質(zhì)土層和淤泥質(zhì)土層，在Ⅰ#、Ⅱ#試驗(yàn)段沉降是占總沉降量的90%和70%以上。經(jīng)竹樁處理后，地基的沉降量平均降低55%以上，施加荷載后孔隙水壓力亦有較大降低，加強(qiáng)了圍埝地基的穩(wěn)定性，表明竹樁對(duì)力學(xué)性能極差的泥炭質(zhì)土和淤泥質(zhì)土起到明顯的加固作用。

(2)建于軟基上的堤壩，地基(土體)的變形和穩(wěn)定二者密不可分，相互作用，強(qiáng)度發(fā)揮以變形為前提，而變形大小又受強(qiáng)度控制。

(3)滇池疏浚圍埝屬臨時(shí)性建筑，為尋找地基處理的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)，探索性地采用廉價(jià)的竹樁復(fù)合地基。通過載荷試驗(yàn)、變形，孔隙水壓力觀測，基本上認(rèn)識(shí)了竹樁復(fù)合地基的實(shí)用性和科學(xué)性。

[1](美)H.F溫特科恩，方曉陽.基礎(chǔ)工程手冊[M].北京:中國建筑工程出版社，1983.

[2]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 70—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京:中華魂建筑工業(yè)出版社，2002.

[3](日)鈴木音彥.工程土力學(xué)計(jì)算實(shí)例[M].北京:中國鐵道出版社，1982.

[4]陳希哲.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1989.

Discussion on Engineering Practice of Composite Bamboo Pile and its Theory

TANG Jian－yu，TANG Ji－yu
(Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry，Kunming 650051，China)

By applying basic principle of soil mechanics and based on used practical data of the engineering project，discussion on the bearing capacity，deformation and consolidation the of Bamboo pile composite foundation was carried out so that can get familiar with practicality and scientificity of its performance.

composite foundation;Bamboo pile;bearing capacity;deformation;consolidation;stability

TU4

A

1004－2660(2012)01－0033－06

2012－02－20.

唐建宇(1963－)，男，云南人，工程師.主要研究方向:巖土工程勘察設(shè)計(jì).E－mail:cy1730116@yahoo.com.cn