包裹碎石樁承載力分析

齊云龍， 任海波

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都　610031)

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包裹碎石樁承載力分析

齊云龍， 任海波

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都610031)

[摘要]包裹碎石樁是在碎石樁外包裹一層土工材料制成的一種樁體。為了更好地研究這種樁體的承載力情況，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)。由所加荷載和承壓板沉降值得到了承載力-沉降曲線(xiàn)，在樁體內(nèi)布置土壓力盒，實(shí)測(cè)樁身軸力，研究了包裹碎石樁的荷載傳遞情況、端阻力和側(cè)摩阻力。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)包裹碎石樁有效地提高了未加固地基的承載力。包裹碎石樁承受豎向荷載時(shí)，主要在樁身0.7 l(5.6 d)(l、d分別為樁長(zhǎng)和樁徑)深度范圍內(nèi)存在力的作用；在3 d深度的應(yīng)力約為樁頂應(yīng)力的40%，5.6 d深度的應(yīng)力約為樁頂應(yīng)力的20%，當(dāng)外部壓力大于85 kPa時(shí)，8 d深度(樁底端)存在應(yīng)力。

[關(guān)鍵詞]包裹碎石樁； 應(yīng)力； 軸力； 端阻力； 側(cè)摩阻力

0前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路、高速鐵路等也得到了迅速發(fā)展，在工程建設(shè)中不可避免地遇到的軟基處理問(wèn)題，其中碎石樁由于其成本低，材料來(lái)源廣，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作靈活，適用范圍廣而得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。然而，由于碎石樁為散體材料樁，對(duì)周?chē)馏w依賴(lài)性較強(qiáng)，當(dāng)處理不排水抗剪強(qiáng)度小于20 kPa的飽和粘性土和飽和黃土地基時(shí)，應(yīng)在施工前通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性[3]。為了增大碎石樁的剛度，提高其承載力，進(jìn)而擴(kuò)大其使用范圍，工程上對(duì)其進(jìn)行了各種改進(jìn)，如土工材料包裹碎石樁法(簡(jiǎn)稱(chēng)包裹碎石樁)、水泥漿固碎石樁法和裙圍碎石樁法等。其中包裹碎石樁保留了碎石樁法可以排水、造價(jià)低，工期短等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于土工材料的包裹作用，樁體的剛度得到了有效的提高，碎石骨粒的用量得到了控制，因而其在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。包裹碎石樁已在鐵路、公路路基處理[4-6]，鹽漬土地基的加固[7]，和圍海造陸的圍堰堤壩[8]等工程中得到了較好的應(yīng)用。這些工程實(shí)例表明包裹碎石樁在提高地基承載力和滿(mǎn)足沉降要求的同時(shí)，同時(shí)還具有造價(jià)低廉和節(jié)省工期等優(yōu)點(diǎn)。

盡管包裹碎石樁在工程上得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在設(shè)計(jì)和使用方面還存在一些問(wèn)題，目前工程應(yīng)用中主要依靠碎石樁施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)。為了更好地推廣應(yīng)用和保證安全快速施工，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)包裹碎石樁進(jìn)行了理論方面的研究，如趙明華和顧美湘等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)分析了包裹碎石樁的承載變形特性。陳建峰[10]利用數(shù)值計(jì)算軟件分析了包裹碎石樁在堆載和孔壓消散過(guò)程中的荷載傳遞和變形特性。曹文貴和楊澤華[11]建立了柔性基礎(chǔ)下包裹碎石樁復(fù)合地基沉降理論分析新方法。唐承鐵和劉猛[12]探討了加筋碎石樁復(fù)合地基的破壞模式。然而，目前對(duì)包裹碎石樁的受力機(jī)制的研究極少，對(duì)包裹碎石樁的受力進(jìn)行分析，有助于了解樁體的承載力提高機(jī)理，更合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。本文研究了包裹碎石樁的承載力，通過(guò)在樁體不同深度布置土壓力盒，實(shí)測(cè)樁體的內(nèi)力分布，研究樁端阻力特點(diǎn)、樁側(cè)摩阻力的分布，探究樁體的應(yīng)力傳遞機(jī)理。

1試驗(yàn)布置

樁長(zhǎng)(l)為70 cm，樁徑(d)為9 cm，長(zhǎng)徑比(l/d)約為8，承壓板直徑(D)為兩倍樁徑，為18 cm。模型內(nèi)分為兩層土，底層為泥巖，上部為河砂，樁體支承在泥巖上。泥巖和河砂的參數(shù)見(jiàn)表1。碎石樁骨料的選用參照相關(guān)規(guī)定[13]，采用自然級(jí)配，控制最大粒徑為10 mm，碎石粒徑在4～10 mm之間。土工材料的網(wǎng)孔尺寸為2 mm×2 mm，抗拉強(qiáng)度為7.0 kN/m。模型箱尺寸為130 cm(長(zhǎng))×130 cm(寬)×100 cm(高)，寬度為7.2倍承壓板直徑，保證試驗(yàn)不受邊界效應(yīng)的影響。采用杠桿系統(tǒng)進(jìn)行加載。利用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集傳感器的讀數(shù)。使用百分表采集承壓板頂面的位移；利用土壓力盒監(jiān)測(cè)樁身軸力，土壓力盒使用前在試驗(yàn)介質(zhì)中進(jìn)行重新標(biāo)定。傳感器布置見(jiàn)圖1。

表1 泥巖和河砂參數(shù)Table1 Parametersofsoils材料密度ρ/(kg·m-3)相對(duì)密實(shí)度/%含水率/%粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)河砂1780553 842泥巖2200-7.82610441

圖1　傳感器布置圖Figure 1　Layout of sensors

2結(jié)果分析

2.1P-s曲線(xiàn)

圖2為包裹碎石樁單樁復(fù)合地基和未加固地基的P-s曲線(xiàn)，其中P為應(yīng)力，s為承壓板頂面沉降。由圖可發(fā)現(xiàn)承壓板頂面產(chǎn)生相同沉降時(shí)，包裹碎石樁復(fù)合地基承受的應(yīng)力遠(yuǎn)大于未加固地基；當(dāng)沉降值為3 mm時(shí)，包裹碎石樁復(fù)合地基頂面承受的應(yīng)力約為未加固地基的2.3倍。

圖2　P-s曲線(xiàn)Figure 2　P-s curves

2.2樁身內(nèi)力分布

為了解樁身內(nèi)力的傳遞情況，利用樁體內(nèi)布置的土壓力盒，監(jiān)測(cè)樁身應(yīng)力，依此作軸力圖如圖3所示。由圖可發(fā)現(xiàn)：樁身軸力由樁頂往下逐漸減?。粯渡砩习攵蝺?nèi)力(樁頂至樁頂以下3.3d深度范圍內(nèi))隨荷載的增加而迅速增大，樁身下半段內(nèi)力隨荷載的增大變化較小。軸力主要存在于樁體50 cm(5.6d)深度范圍內(nèi)。

進(jìn)一步量化研究樁體內(nèi)力傳遞情況，利用已監(jiān)測(cè)的樁體內(nèi)不同部位的應(yīng)力值，將樁身其他位置的應(yīng)力(Ph)除以樁頂?shù)膽?yīng)力值(Pt)，得出樁頂承受壓力后，傳遞至樁身其他部位的應(yīng)力百分比，見(jiàn)圖4。由圖可發(fā)現(xiàn)：樁身其他部位的應(yīng)力占樁頂應(yīng)力的比值沿樁身往下逐漸減小，且減小的速度由快變緩。傳遞至樁頂以下0.4l處的應(yīng)力約占樁頂應(yīng)力的40%，0.7l深度(也即5.6d)處的應(yīng)力約占樁頂應(yīng)力的20%。當(dāng)外部應(yīng)力大于85 kPa時(shí)，樁體底部存在應(yīng)力的作用，且傳遞至樁底的應(yīng)力隨外部的壓力的增大而稍有增大。

圖3　樁身軸力Figure 3　Axial force

圖4　樁身荷載傳遞圖Figure 4　The load transfer characteristics

樁頂應(yīng)力由樁端阻力和樁側(cè)摩阻力共同承擔(dān)，對(duì)這兩者的研究可以直觀反映包裹碎石樁受力特點(diǎn)。由樁底端布設(shè)的土壓力盒得到樁底應(yīng)力，作樁底應(yīng)力隨位移的變化情況如圖5所示。由圖可發(fā)現(xiàn)：樁底應(yīng)力隨位移(s/D)的增大而增大，其中s為承壓板頂部的沉降值，D為承壓板直徑。應(yīng)力在位移較小時(shí)，樁底的應(yīng)力變化不大，當(dāng)位移在0.5%～1.5%時(shí)，樁底應(yīng)力在2.5 kPa左右；當(dāng)位移達(dá)到2%左右時(shí)，樁底的應(yīng)力迅速增大。當(dāng)位移達(dá)到3.5%左右時(shí)，樁底應(yīng)力約為23 kPa，此時(shí)，樁底的應(yīng)力約為樁頂應(yīng)力的10%(見(jiàn)圖4)，它占樁頂?shù)膽?yīng)力的比重較小，樁頂其他部分的應(yīng)力已擴(kuò)散至周?chē)馏w中，由側(cè)摩阻力承擔(dān)了?，F(xiàn)對(duì)側(cè)摩阻力進(jìn)行具體分析，如圖6所示。由圖可發(fā)現(xiàn)，樁側(cè)摩擦力隨著外部壓力的增大而增大；樁體的上部摩擦力(0～5.6d)較大，下部(5.6～8d)的摩擦力較小。下部摩擦力較小與傳遞至下部的應(yīng)力較小有關(guān)系。

圖5　樁端應(yīng)力-沉降曲線(xiàn)Figure 5　Pressure-settlement curve on the bottom

圖6　樁側(cè)摩阻力Figure 6　Skin friction

3結(jié)論

通過(guò)研究包裹碎石樁的承載力和沉降曲線(xiàn)、軸力分布、樁端阻力和側(cè)摩阻力，分析了包裹碎石樁的受力特點(diǎn)，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

① 承壓板頂面產(chǎn)生相同沉降時(shí)，包裹碎石樁復(fù)合地基承受的應(yīng)力遠(yuǎn)大于未加固地基；當(dāng)沉降值為3 mm時(shí)，包裹碎石樁復(fù)合地基頂面承受的應(yīng)力約為未加固地基的2.3倍。

② 模型試驗(yàn)中，包裹碎石樁承受豎向荷載時(shí)，主要在樁身0.7l(5.6d)深度范圍內(nèi)產(chǎn)生力的作用。如傳遞至樁頂以下0.4l(3.2d)深度的應(yīng)力約占樁頂應(yīng)力的40%，0.7l深度(也即5.6d)深度的應(yīng)力約占樁頂應(yīng)力的20%。當(dāng)外部應(yīng)力大于85 kPa時(shí)，GEC在8d深度存在應(yīng)力，且傳遞至樁底的應(yīng)力隨外部壓力的增大而稍有增大。

③ 樁體上部(0～5.6d)的側(cè)摩阻力較大，而底部的較小。底部側(cè)摩阻力較小與傳遞至樁身下部(5.6～8d)的應(yīng)力較小有關(guān)系。

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Studies on Geogrid Encased Stone Column of Bearing Capacity

QI Yunlong， REN Haibo

(Southwest Geotechnical & Design Institute of China Nuclear Industry， Chengdu， Sichuan 610031， China)

[Abstract]The Geogrid encased stone column is the type of encased a stone column with geogrid.In order to make further study on geogrid encased stone column，a laboratory model study is conducted.The P-s curves is based on the load on the bearing plate and the settlement on the bearing plate.The axial force is obtained by placing sensors in the pile body.From the axial force，the load transfer mechanism，the tip resistance and the skin friction are studied.From the experiment results，the geogrid encased stone column effectively improve the load performance of the soil.The geogrid encased stone column exists pressure mainly within 0.7l (5.6 d)depth during the loading.There is about 40% of the pressure on the pile top at a depth of three times pile diameter；And it is about 20% of the pressure on the pile top at a depth of 5.6 times pile diameter.What's more，it exists pressure at a depth of eight times diameter(pile bottom)when the pressure at plate top larger than 85 kPa.

[Key words]geogrid encased stone column； pressure； axial force； tip resistance； skin friction

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU 473.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0198-04

[作者簡(jiǎn)介]齊云龍(1982-)，男，黑龍江望奎人，研究生，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)及其地質(zhì)災(zāi)害防治研究。

[收稿日期]2014-11-24