考慮鼓脹變形的散體材料樁復(fù)合地基沉降計(jì)算

張玲+趙明華

摘 要：針對豎向荷載作用下靠近樁頂一定深度的范圍內(nèi)，樁體不僅會(huì)發(fā)生豎向壓縮變形且會(huì)發(fā)生側(cè)向鼓脹變形特性，基于荷載傳遞法，導(dǎo)出了豎向荷載作用下散體材料樁復(fù)合地基中的某根單樁的樁身壓縮量計(jì)算公式，進(jìn)而得到新的散體材料樁復(fù)合地基沉降計(jì)算公式.分析時(shí)，視散體材料樁為彈性均質(zhì)體，根據(jù)廣義胡克定律得到其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；樁周土提供的側(cè)向約束力為樁側(cè)豎向力引起的側(cè)向土壓力，并考慮加筋墊層的側(cè)向約束作用及其沿深度的傳遞對樁體側(cè)向約束的有利影響.為驗(yàn)證本文方法的可行性，對某一工程實(shí)例進(jìn)行分析，且與其它方法進(jìn)行比較分析.結(jié)果表明：與常規(guī)計(jì)算方法相比，本文方法從荷載傳遞規(guī)律出發(fā)，可考慮鼓脹深度隨樁頂豎向荷載的增加逐漸向深處發(fā)展的特點(diǎn)，更符合散體材料樁復(fù)合地基的實(shí)際受力變形狀況.

關(guān)鍵詞：復(fù)合地基；散體材料樁；沉降；荷載傳遞；鼓脹變形

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）05-0120-05

Abstract：The granular material pile has its own deformation characteristics under vertical loads. The granular material pile shows not only a vertical compressive deformation but also a radial expansion near the top of the pile. According to the study of this load transfer mechanism， a new equation was developed to calculate the compressive deformation of a single granular material pile. On the basis of this investigation way， a new method to predict the settlement of the composite foundation reinforced by granular material piles such as stone columns was developed. In the analysis model， the granular pile was treated as an elastic material satisfying Hooke's law， and the lateral confining support provided by the surrounding soil was assumed as lateral soil pressure. Further， the beneficial influence of the lateral restraint of the reinforced cushion as well as its development within depth on restricting the lateral bulging of the granular pile was taken into account. Finally， a case study was performed to validate the proposed method. The foundation settlements predicted by the proposed model were close to those of existing calculation methods. The prediction results indicate that the proposed method based on the load transfer mechanism is more practical because the proposed method can consider the variation law that the depth of lateral deformation of the pile increases with the increase of the vertical load acting on the top of the pile.

Key words：composite foundation；granular material pile；settlement；load transfer；lateral bulging

以碎石樁為代表的散體材料樁及其與樁間土形成的復(fù)合地基已廣泛地應(yīng)用于地基加固工程.沉降計(jì)算是該復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論的重要組成部分.尤其是復(fù)合地基按沉降控制設(shè)計(jì)時(shí)，沉降計(jì)算更為重要.有關(guān)散體材料樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算國內(nèi)外學(xué)者提出了理論或經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式.其中較為常用的方法是采用復(fù)合模量法計(jì)算加固區(qū)的壓縮量，再采用分層總和法計(jì)算下臥層的壓縮量，進(jìn)而得到整個(gè)復(fù)合地基的沉降量[1-3].該方法的假定之一是豎向荷載作用下樁與樁間土之間無側(cè)向擠壓作用，各自都不發(fā)生側(cè)向變形[4].

然而，當(dāng)樁體材料及樁周土條件不變時(shí)，樁體鼓脹變形應(yīng)隨樁頂豎向荷載的增加而逐漸向深處發(fā)展.故本文從散體材料樁的荷載傳遞機(jī)理出發(fā)，考慮鼓脹變形隨荷載變化，提出一種計(jì)算散體材料樁樁身壓縮量的新方法，進(jìn)而獲得散體材料樁復(fù)合地基的沉降量.

1 復(fù)合地基沉降計(jì)算新方法

1.1 樁、土受力變形分析

取散體材料樁復(fù)合地基中的某根單樁進(jìn)行分析，樁頂作用荷載qp，樁間土作用荷載qs，qs=qp/n，其中n為樁土應(yīng)力比.對于散體材料樁復(fù)合地基，在無測試資料時(shí)，對黏性土可取2～4，粉土和砂土n可取1.5～3.0.原地基土強(qiáng)度低者取大值，反之取小值[6].若復(fù)合地基上作用荷載為q，則qp=n1+（n-1）mq，m為復(fù)合地基置換率.為便于分析，沿樁長將樁劃分為N段（圖1）.并取其中第i段進(jìn)行分析（圖2）.

由前述推導(dǎo)可知，本文方法計(jì)算散體材料樁復(fù)合地基沉降時(shí)，樁土應(yīng)力比需作為一已知參數(shù)，然而準(zhǔn)確確定樁土應(yīng)力比非常困難，盛崇文建議[2]對于該工程當(dāng)設(shè)計(jì)荷載小于60 kPa時(shí)樁土應(yīng)力比取3～5；大于60 kPa時(shí)取2～4.當(dāng)沉降計(jì)算荷載為60 kPa時(shí)，已有文獻(xiàn)[2，7-8]中樁土應(yīng)力取值有兩種情況n=3[7-8]和n=4[2]，為便于與其它文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果對比分析，故本文方法計(jì)算沉降時(shí)，計(jì)算荷載亦取60 kPa，而樁土應(yīng)力比取n=3和n=4分別加以計(jì)算.

本文方法計(jì)算時(shí)取樁土應(yīng)力比n=3，經(jīng)計(jì)算得整個(gè)樁身壓縮量sp=28.9 mm，其中鼓脹段的壓縮量為7.4 mm，非鼓脹段的壓縮量為21.5 mm；鼓脹深度hb=0.9 m；下臥層壓縮量ss=12.0mm；故整個(gè)碎石樁復(fù)合地基的沉降量為s=40.9 mm.若取n=4，得hb=1.6m；sp=40.2 mm；ss=12.0 mm；s=52.2 mm.

與其它方法計(jì)算結(jié)果的比較見表2.其中，盛崇文[2]是采用復(fù)合模量法計(jì)算加固區(qū)的壓縮量，復(fù)合模量按式Esp=[1+（n-1）m]Es計(jì)算；鄧修甫等[7]是將碎石樁簡化成等體積墻體，再根據(jù)碎石樁與樁間土的變形協(xié)調(diào)作用分鼓脹段與非鼓脹段兩部分計(jì)算加固區(qū)的壓縮量；基于鄧修甫等的計(jì)算方法，孫林娜等[8]將基樁與樁間土的相互作用視為空間問題來計(jì)算復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量；各方法下臥層的壓縮量均采用分層總和法得到.

由表2可見，采用復(fù)合模量法計(jì)算樁身壓縮量較其它方法的計(jì)算結(jié)果偏大；鄧修甫等方法[7]將復(fù)合地基沉降計(jì)算簡化成平面問題，強(qiáng)化了樁體作用，所得的復(fù)合地基沉降量偏小；孫林娜等方法[8]計(jì)算復(fù)合地基沉降時(shí)，碎石樁的鼓脹深度為樁體極限受荷狀態(tài)下的鼓脹變形深度，其中鼓脹段壓縮量較本文方法（n=3）偏大，非鼓脹段壓縮量因非鼓脹段長度減小而較本文方法（n=3）偏?。磺覍O林娜等方法[8]因夸大了實(shí)際工作荷載作用下側(cè)向鼓脹變形對復(fù)合地基沉降的影響，使得整個(gè)樁身壓縮量較本文方法偏大.而本文方法采用靜止土壓力計(jì)算樁周土提供的側(cè)向約束力偏小，變形量略為偏大，但可反映碎石樁鼓脹變形隨荷載發(fā)展變化的實(shí)際情況.

3 結(jié) 論

1） 基于樁體受荷發(fā)生豎向壓縮變形及側(cè)向鼓脹變形的特性，提出一新的散體材料樁復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量計(jì)算公式，進(jìn)而可得整個(gè)復(fù)合地基的沉降量.

2） 與常規(guī)計(jì)算方法相比，本文方法從荷載傳遞規(guī)律出發(fā)，更符合散體材料樁復(fù)合地基的實(shí)際受力變形狀況.

3） 利用本文方法對某一具體工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)與其它方法及實(shí)測值的比較分析，本文所得結(jié)果具有其合理性.

4） 本文方法計(jì)算散體材料樁復(fù)合地基沉降時(shí)，樁土應(yīng)力比需是已知參數(shù)，而樁土應(yīng)力比對復(fù)合地基沉降有一定程度影響，實(shí)際設(shè)計(jì)中如何正確合理的選取散體材料樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比仍有待進(jìn)一步的深入研究.

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