水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力可靠度研究綜述

吳 全 偉

(上海理工大學(xué)，上海 200093)

水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力可靠度研究綜述

吳 全 偉

(上海理工大學(xué)，上海 200093)

分析了近年來研究者對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力可靠度的研究情況，主要對(duì)攪拌樁復(fù)合地基承載力研究現(xiàn)狀、極限狀態(tài)方程的建立、隨機(jī)變量的概率分析、可靠度的計(jì)算及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了論述，最后對(duì)研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并作了展望。

攪拌樁，復(fù)合地基，承載力，可靠度

0 引言

近年來，我國(guó)在土木工程建設(shè)中取得巨大成就，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，相關(guān)科學(xué)技術(shù)也取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中地基處理技術(shù)已愈來愈受到人們的關(guān)注。一方面，受客觀條件的限制，一些工程需要在土質(zhì)條件較差的地基上進(jìn)行，這就需要對(duì)不良地基進(jìn)行加固；另一方面，隨著各種高層建筑的大量建設(shè)，建筑體型越來越多，荷載也在不斷的增大，對(duì)地基變形的要求也越來越嚴(yán)格，因此，需要在特定的條件下進(jìn)行地基處理，進(jìn)一步加強(qiáng)地基承載力，控制承載力。水泥攪拌樁加固軟土地基是地基處理的一種常用方法，有著許多優(yōu)點(diǎn)。水泥攪拌樁具有振動(dòng)小、噪聲低、無污染、速度快、施工機(jī)械簡(jiǎn)單、施工效率高和造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，因此，在鐵路、公路、市政工程、港口碼頭、工業(yè)與民用建筑等軟土地基加固方面得到廣泛應(yīng)用。然而，由于復(fù)合地基受力變形和破壞機(jī)理還未完全總結(jié)和完善，水泥攪拌樁復(fù)合地基的不確定性因素較多，如計(jì)算模型的不確定性，土性參數(shù)的不確定性等，這就需要我們利用已有資料對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行可靠度研究。因此，應(yīng)著眼于過去的成果或者現(xiàn)場(chǎng)作試樁試驗(yàn)，補(bǔ)充完善設(shè)計(jì)公式，對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行概率分析，這在工程上有很大的應(yīng)用價(jià)值。

1 攪拌樁復(fù)合地基承載力可靠度研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究歷史與現(xiàn)狀

巖土工程是可靠度理論應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。它與結(jié)構(gòu)可靠性分析有許多相通之處，許多結(jié)構(gòu)可靠性的分析方法可以應(yīng)用于巖土工程中。

Casagrande A(1965)首次提出了巖土工程中計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)的問題，開始了可靠度在巖土方面的研究[1]。

Kitazume M(2000)通過離心模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)攪拌樁復(fù)合地基的破壞模式不僅僅是圓弧滑動(dòng)破壞，還有可能是樁體彎曲破壞、旋轉(zhuǎn)破壞、張拉破壞、樁間土的擠出等[2]。

巖土工程可靠性研究在國(guó)外已經(jīng)有許多專題研討會(huì)，發(fā)展的速度較快。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織巖土工程技術(shù)委員會(huì)規(guī)定采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則和分項(xiàng)系數(shù)的方法，并且按巖土工程等級(jí)給出了可靠性指標(biāo)的建議值。

1.2 國(guó)內(nèi)研究歷史與現(xiàn)狀

我國(guó)土力學(xué)中可靠度的研究起步較晚，落后于國(guó)外，但近年來也取得了一些成果。我國(guó)在巖土工程方面可靠度研究主要有經(jīng)驗(yàn)方程的建立和回歸分析、土層的概率分布模型、土性參數(shù)的不確定性、土工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理以及可靠性理論應(yīng)用方面的研究，如基礎(chǔ)沉降、基礎(chǔ)承載力、土坡的穩(wěn)定性等。下面列出的是一些較典型的成果。

陳曉平(1998)研究了天然地基承載力可靠度、單樁承載力可靠度，并且分析研究了復(fù)合樁基承載力分項(xiàng)系數(shù)[3]。

何軍，趙彤(2000)根據(jù)從國(guó)內(nèi)收集的31組深層攪拌樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用JC法對(duì)復(fù)合地基承載力可靠度進(jìn)行全面的探討，并給出了各工況下的可靠度指標(biāo)[4]。

肖溟等(2000)采用Monte-Carlo法探討了深層攪拌樁基于面積比公式的承載力的可靠度指標(biāo)計(jì)算方法[5]。

洪昌華，龔曉南(2000)研究了水泥系深層攪拌樁復(fù)合地基承載力概率分析的方法。主要通過概率分析確定了樁間土以及樁體極限承載力的均值和方差，得到復(fù)合地基極限承載力的概率特性，并且利用靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)得到承載力概率特性進(jìn)行Bayes更新[6]。

張銦等(2003)建立了復(fù)合地基的極限狀態(tài)方程，并且得到復(fù)合地基失穩(wěn)的模糊概率公式，分析土性參數(shù)得出地基承載力的模糊概率主要的影響因素來自于γ，φ的變異，而γ的變異系數(shù)影響很小[7]。

丁繼輝等(2007)以可靠度理論為基礎(chǔ)，建立了剛?cè)峤M合樁復(fù)合地基可靠度概率分析模型，通過對(duì)復(fù)合地基可靠度影響因子的分析來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮柔性樁和剛性樁各自優(yōu)點(diǎn)[8]。

徐志軍等(2010)研究了樁式復(fù)合地基的失效模式，將模糊邏輯引入到樁式復(fù)合地基的可靠度分析中，解決了地基失效時(shí)的模糊性問題，并利用熵原理和牛頓迭代法計(jì)算出熵密度函數(shù)，然后利用辛普森積分公式推導(dǎo)出樁式復(fù)合地基的模糊失效概率[9]。

2 極限狀態(tài)方程的建立

2.1 復(fù)合地基極限承載力

復(fù)合地基的破壞模式有兩種情況：一種是樁體首先發(fā)生破壞進(jìn)而引起復(fù)合地基的全面破壞；另一種是樁間土首先破壞進(jìn)而引起復(fù)合地基的全面破壞。樁間土和樁體同時(shí)發(fā)生破壞在實(shí)際工程中是很少見的。大多數(shù)工程實(shí)踐都是第一種破壞模式[10]。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基是一種柔性樁復(fù)合地基，它的破壞模式是由樁體先破壞從而引起復(fù)合地基全面破壞，因此可以采用柔性樁復(fù)合地基極限承載力的面積比公式：

pcf=mpp/Ap+λ(1-m)Rs

(1)

其中，λ為樁間土折減系數(shù)；Rs為樁間土極限承載力；m為復(fù)合地基面積置換率；pp為樁體的極限承載力；Ap為樁間土的極限承載力。

2.2 攪拌樁極限承載力

水泥攪拌樁是一種柔性樁，它的極限承載力可以通過比較按以下兩種情況確定：

1)按土的承載力計(jì)算：

pp=sp∑fili+αApqp

(2)

2)按樁身水泥土的強(qiáng)度計(jì)算：

pp=ηfcuAp

(3)

式(2)，式(3)，兩者比較取最小值。其中，qp為樁端天然地基土的容許承載力；fi為樁周土的極限摩阻力；li為樁身穿過i土層的長(zhǎng)度；sp為樁的周長(zhǎng)；Ap為樁端的截面積；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6，承載力高時(shí)取低值；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25～0.33；fcu為與樁身水泥土配比相同的室內(nèi)水泥土試塊的抗壓強(qiáng)度平均值。

2.3 樁間土極限承載力

對(duì)于復(fù)合地基樁間土極限承載力Rs的計(jì)算，通常按天然地基的Hansen公式計(jì)算[11]， Hansen公式可以表示為如下形式：

Rs=cNc+rDNq+0.5rBNr

(4)

其中，Nc,Nq,Nr均為承載力系數(shù)，摩擦角φ的函數(shù)；B為基礎(chǔ)寬度；D為基礎(chǔ)埋深；c為地基土的粘聚力；r為地基土的密度。

2.4 復(fù)合地基的極限狀態(tài)方程

Z=R-SG-SQ=0

(5)

其中，R為結(jié)構(gòu)抗力；SG為恒載；SQ為各種活載的荷載效應(yīng)組合。

3 結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力可靠度時(shí)，主要有三類不確定性因素：計(jì)算模型的不確定性、土性參數(shù)與樁材性能的不確定性、幾何參數(shù)的不確定性。

1)復(fù)合地基承載力可靠度研究發(fā)現(xiàn)，樁間土的承載力折減系數(shù)λ對(duì)置換率影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選取。復(fù)合地基承載力的可靠度概率分析中，主要影響因子來自r,φ的變異性，而受r的變異影響很小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以按常值處理。

2)由于計(jì)算模型的不確定性，采用面積比公式進(jìn)行復(fù)合地基承載力計(jì)算時(shí)，可以引入模型的不確定性因子I，即：

pcf=I[mpp/Ap+λ(1-m)Rs]

(6)

3)靜載試驗(yàn)是確定復(fù)合地基承載力最準(zhǔn)確的方法。利用較多的復(fù)合地基靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以直接對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。若復(fù)合地基靜載試驗(yàn)數(shù)量少，則可以根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果用Bayes更新的方法得到更為可靠的概率特性。

[1] Casagrande A.Role of calculated risk in earthwork and foundation engineering.ASCE[J].Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering,1965,91(6):1-40.

[2] Kitazume M.Centrifuge model on failure envelope of column type deep mixing method improved ground[J].Soils and Foundations,2000,40(1):43-55.

[3] 陳曉平.復(fù)合樁基承載力可靠度研究[D].武漢:武漢水利電力大學(xué)博士學(xué)位論文，1998.

[4] 何 軍,趙 彤.深層攪拌樁復(fù)合地基承載力的可靠度研究[J].巖土力學(xué),2000,21(4):401-403.

[5] 肖 溟,龔曉南,黃廣龍.深層攪拌樁復(fù)合地基承載力的可靠度分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,34(6):351-354.

[6] 洪昌華,龔曉南.深層攪拌樁復(fù)合地基承載力的概率分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000,22(3):279-283.

[7] 張 銦,朱 峰.復(fù)合地基承載力的模糊可靠度分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(11):40-43.

[8] 丁繼輝,徐成杰,袁 滿.剛?cè)峤M合樁復(fù)合地基承載力可靠度分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(7):1314-1318.

[9] 徐志軍,鄭俊杰,趙冬安.樁式復(fù)合地基承載力的隨機(jī)模糊熵可靠度分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,38(9):104-107.

[10] 龔曉南.復(fù)合地基[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1992.

[11] 《地基處理手冊(cè)》編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998：410-428.

Research survey on composite foundation loading capacity reliability of cement mixing pile

WU Quan-wei

(ShanghaiUniversityofTechnology,Shanghai200093,China)

The paper analyzes the research on the composite foundation loading capacity reliability of cement mixing pile by researchers recently, indicates its research status, the establishment of the limit state equation, probability analysis of random variable, calculation of reliability and design methods, and sums up the research results, so the future is also indicated.

mixing pile, composite foundation, loading capacity, reliability

1009-6825(2014)34-0068-02

2014-09-23

吳全偉(1987- )，男，在讀碩士

TU473.11

A