Priebe法在近岸工程振沖碎石樁復(fù)合地基沉降量計(jì)算中的研究

溫鉑洋 WEN Bo-yang；上官子昌 SHANGGUAN Zi-chang；張晶 ZHANG Jing；彭海婷 PENG Hai-ting

（大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，大連 116023）

（School of Marine and Civil Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

0 引言

隨著振沖技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，開創(chuàng)了在近岸工程中采用振沖技術(shù)處理松軟地基的實(shí)際工程運(yùn)用。目前，對(duì)于地基沉降的計(jì)算主要通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，建立模型來預(yù)測(cè)地基沉降規(guī)律，計(jì)算方法也日趨成熟。但在近岸工程中，與理想路基不同，由于施工海域遠(yuǎn)離陸地，又常受到海浪、流及潮汐等自然條件的影響，加以其軟土地基深入海底，施工條件惡劣、難度大，使其觀測(cè)結(jié)果不易檢測(cè)；而室內(nèi)土工試驗(yàn)?zāi)M較為復(fù)雜，試驗(yàn)結(jié)果難以應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。

地基沉降是人們關(guān)心的問題之一，但振沖碎石樁復(fù)合地基沉降量的計(jì)算理論尚未成熟，在近岸工程中，計(jì)算值往往遠(yuǎn)小于最終沉降量實(shí)測(cè)值，每層土體特性差異較明顯。本文以Priebe法為基礎(chǔ)，通過前人對(duì)此方法的研究，提出自己的看法，建立計(jì)算模型，并運(yùn)用到近岸工程振沖碎石樁復(fù)合地基沉降量計(jì)算中，結(jié)合近岸工程實(shí)例，將計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)值和傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證該方法的可行性，并為近岸工程的沉降預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 傳統(tǒng)碎石樁復(fù)合地基的沉降量計(jì)算方法[1]

地基中土的受力情況和變形特性是影響地基沉降大小的主要因素。對(duì)于碎石樁復(fù)合地基而言，其沉降大小要同時(shí)考慮復(fù)合土層和下臥層的受力情況和變形特性。因此，復(fù)合地基的總沉降量SF分別是由復(fù)合地基土層的沉降Ssp和下臥土層的沉降Sx兩者之和，即SF=Ssp+Sx。

1.1 復(fù)合土層沉降計(jì)算

①復(fù)合模量法。復(fù)合土層是指沉降具有等效復(fù)合壓縮模量Esp的土，而復(fù)合模量法是將復(fù)合地基加固區(qū)的碎石樁和樁間土復(fù)合成同一土體。復(fù)合土層沉降大小Ssp通過分層總和法計(jì)算，即

式中：nsp——復(fù)合土層的分層數(shù)；

Δσi——第i層附和應(yīng)力的平均增量；

hi——第i層土的厚度；

Espi——第i層土的復(fù)合壓縮模量。

其中：復(fù)合壓縮模量Esp是由樁和樁間土變形協(xié)調(diào)及復(fù)合土層沉降等效實(shí)際樁、土復(fù)合體的沉降關(guān)系決定的，即

式中：Esp、Es——分別為樁及樁間土的壓縮模量；

m——置換率；

n——樁土的應(yīng)力比。

②應(yīng)力修正法。由于復(fù)合土層上的荷載由碎石樁和樁間土共同承擔(dān)，且碎石樁的剛度遠(yuǎn)大于樁間土，故樁間土承擔(dān)載荷大大減小，主要由樁承擔(dān)。應(yīng)力修正法是通過土的壓縮模量，不考慮碎石樁的存在，計(jì)算復(fù)合土層沉降Ssp，即

式中：μs——應(yīng)力修正系數(shù)，即應(yīng)力分散系數(shù)。

復(fù)合模量法是按復(fù)合土層提高了的復(fù)合壓縮模量計(jì)算其沉降量，而應(yīng)力修正法基于作用于樁間土上減小了的荷載應(yīng)力計(jì)算樁間土的沉降量。雖然兩種算法考慮角度不同，但所得結(jié)果一致。

③樁身壓縮量法。樁身壓縮量法是假定復(fù)合土層中的碎石樁在荷載作用下不考慮樁側(cè)摩阻力的分布形態(tài)和刺入變形，通過樁體所分擔(dān)的荷載和其壓縮模量，按材料力學(xué)計(jì)算壓縮桿件變形的方法求樁的壓縮量。當(dāng)樁側(cè)摩阻力均勻分布時(shí)，樁的壓縮量等同于復(fù)合土層的沉降量Ssp，其中樁頂荷載pp與樁的壓縮量Sp的計(jì)算式如下：

式中：pe——樁端應(yīng)力；

Sp——碎石樁的壓縮量；

l——樁長，其他符號(hào)意義同前。

1.2 復(fù)合地基下臥層沉降計(jì)算 復(fù)合地基的下臥層是指復(fù)合土層下未加固的土層。由于土層沒有進(jìn)行加固處理，且工程特性沒有改變，因此下臥層應(yīng)力分布變化取決于復(fù)合土層的工程性能改善，故先計(jì)算適當(dāng)?shù)南屡P層的應(yīng)力分布，才能通過分層總和法計(jì)算其沉降Sx。

本文介紹的Priebe法是假設(shè)復(fù)合地基樁體已達(dá)到硬土層，不考慮復(fù)合地基下臥層沉降，因此關(guān)于下臥層沉降計(jì)算不做過多介紹。

2 Priebe法及其方法改進(jìn)

2.1 Priebe方法[2-3]Priebe（普里伯，1976）提出一個(gè)基于半無限彈性體中圓柱孔橫向變形理論，用于計(jì)算在垂直荷載作用下，碎石樁復(fù)合地基所產(chǎn)生的最終沉降的方法。其中假設(shè)：①地基土為各向同性；②基礎(chǔ)為剛性；③樁體長度已達(dá)有支承能力的硬土層等。在這些假設(shè)條件下，Priebe推導(dǎo)出一個(gè)沉降折減系數(shù)β的表達(dá)式如下：

式中：m——面積置換率，Ac/A；

μ——地基土泊松比。

地基用振沖置換樁加固情況下的最終沉降量與不加固情況下的最終沉降量之比叫做沉降折減系數(shù)。于是，復(fù)合地基的最終沉降量Ssp

式中：Ss——不加固情況下的地基最終沉降量。

將沉降折減系數(shù)β化簡為

式中：n——樁土應(yīng)力比。

2.2 Priebe法的改進(jìn)[4]對(duì)Priebe法在沉降量計(jì)算中不合理假設(shè)進(jìn)行改進(jìn)，即樁體不可壓縮與忽略樁體和樁間土的容重。碎石樁主要由碎石組成，在垂直荷載作用下，樁體必然產(chǎn)生壓縮；而對(duì)于樁體和樁間土的容重來說，直接影響到地基沉降大小，因此不能忽略不計(jì)。

樁體壓縮直接影響樁體與樁間土的置換率，從而影響沉降折減系數(shù)；考慮容重的情況下，樁間土對(duì)樁體的橫向束縛隨著樁體深度增加而增大，使得地基沉降量減小。

置換率的變化由樁體和樁間土的變形模量決定，這里直接引入公式

式中：Kac——主動(dòng)壓力系數(shù)，tan2(45°-)；

n1——樁體與樁間土壓縮模量比，Dc/Ds。

考慮容重對(duì)沉降量影響，我們引入深度系數(shù)fd，并且隨著深度增加，樁體與樁間土之間的作用越小，樁間土橫向變形越小，因此我們引入公式

式中：Koc——靜止土壓力系數(shù)，1-sinφc；

Ws——樁間土容重，∑(γs·Δd)；

Wc——樁體容重，∑(γc·Δd)。

根據(jù)上述改進(jìn)，可推到出最后的沉降折減系數(shù)，其最終表達(dá)式如下

其中置換率的變化值

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況[5]山東省某漁港工程位于山東半島東南端石島灣內(nèi)，項(xiàng)目建設(shè)漁業(yè)及綜合碼頭465m，其中396m碼頭工程地質(zhì)為軟弱土層。該漁港碼頭長度1220.58m，水域面積36萬m2，碼頭前沿高程+40m，前沿墻底高程-60m，碼頭采用重力式混凝土方塊結(jié)構(gòu)，軟基處理采用海上振沖碎石樁復(fù)合地基，此次建設(shè)是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。

3.2 沉降計(jì)算[6]本文采用該漁港工程漁業(yè)碼頭試驗(yàn)段沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 主要土層參數(shù)

根據(jù)本文介紹的傳統(tǒng)算法和Priebe法計(jì)算該試驗(yàn)段沉降量，其中粉細(xì)砂②和粉質(zhì)粘土③的濕密度為2.0g/cm3和 1.9g/cm3，內(nèi)摩擦角為 30°和 9°，計(jì)算結(jié)果見表 2。

工程計(jì)算中斷面的最大沉降量為15.20cm，在試驗(yàn)段碼頭加載20kPa并經(jīng)過連續(xù)三個(gè)月的觀測(cè)，其碼頭前端累計(jì)沉降量為40cm。從計(jì)算結(jié)果看出，計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際值。

表2 計(jì)算結(jié)果

4 總結(jié)

從計(jì)算結(jié)果看出，Priebe法比傳統(tǒng)計(jì)算方法更接近實(shí)測(cè)值，大大減小了計(jì)算誤差，但結(jié)果仍與實(shí)測(cè)值有較大差距，因此該計(jì)算方法還需要通過更多試驗(yàn)和工程實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)。本文為近岸振沖碎石樁復(fù)合地基沉降量計(jì)算提供了另一個(gè)較好的方法，由于近岸工程影響因素過多，該方法有待于進(jìn)一步研究。

[1]何廣訥.振沖碎石樁復(fù)合地基[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]盛崇文.碎石樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算[J].土木工程學(xué)報(bào),1986,19(1):72-75.

[3]Heinz J.Priebe.The Design ofVibro Replacement.GROUNDENGINEERING,1995.

[4]黃小軍.振沖碎石樁復(fù)合地基承載力與沉降量計(jì)算研究[D].吉林大學(xué),2007:58-65.

[5]陳自榮,劉年飛,張建僑.振沖碎石樁在山東石島中心漁港工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2010(9):124-127.

[6]孫龍,劉年飛.漁港碼頭工程水下振沖碎石樁復(fù)合地基應(yīng)用研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2010,38(4):54-56.