長短樁復(fù)合地基沉降計算方法分析及探討

張昌進(jìn)，張 勇

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

長短樁復(fù)合地基沉降計算方法分析及探討

張昌進(jìn)，張 勇

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

地基沉降計算在地基基礎(chǔ)工程中存在著很大的難題。雖然許多研究在沉降計算方面付出了巨大的努力,但在計算精度上仍存在很大差異。現(xiàn)行的關(guān)于長短樁復(fù)合地基沉降理論一直處于摸索和發(fā)展之中。本文通過對等效天然地基法和加權(quán)模量法進(jìn)行沉降計算，分析得出：(1)等效天然地基計算計算結(jié)果比較符合實際，加權(quán)模量法計算雖然比較簡單，但是沉降計算的誤差比較大。(2)加權(quán)模量法沉降計算中，樁體對褥墊層及下臥層都具有一定的刺入變形。針對剛性長短樁體在復(fù)合地基中的壓縮模量計算沒有考慮樁頂和樁底的刺入變形效應(yīng)。而在實際工程中，僅由樁身壓縮模量計算得到的復(fù)合模量和實際有很大誤差，因而計算得到長短樁復(fù)合地基的沉降量很小，不符合實際需要，故本文提出一種方法對加權(quán)模量法計算方法進(jìn)行改進(jìn)，希望其有助于復(fù)合地基沉降計算的深入研究。

長短樁復(fù)合地基；等效天然地基法；加權(quán)模量法

長短樁復(fù)合地基[1-3]一般是采用短樁加固淺層軟土，提高其承載力和壓縮模量，減少沉降; 而長樁則考慮應(yīng)力擴(kuò)散的關(guān)系，上部荷載通過樁身向深層傳遞，控制沉降。復(fù)合地基沉降是值得研究的重要問題之一，但由于復(fù)雜性，沉降規(guī)律仍處于發(fā)展之中。加固層的沉降主要由樁體和天然土所形成的復(fù)合土的變形構(gòu)成。下臥層土層由于加固區(qū)存在,使其壓縮增加。由于長短樁復(fù)合地基變形分析理論不完善，所以目前的沉降計算大多采用經(jīng)驗公式。一般來說，沉降量分為三個部分，即長短樁共同加固區(qū)沉降量、長樁單樁加固區(qū)沉降量及下臥層沉降量。其研究主要集中在加固區(qū)的復(fù)合模量計算方法[4-6]。加固區(qū)的復(fù)合模量計算方法用于工程設(shè)計的主要有等效天然地基法和加權(quán)模量法。

1 等效天然地基法

1.1 復(fù)合模量計算

復(fù)合地基中樁體的存在可以大大提高天然地基的承載特性和控制沉降變形量，復(fù)合模量的計算也是沉降計算的關(guān)鍵之處。在實際工程中，樁的變形模量的確定是困難的?？紤]樁土應(yīng)力比和樁土模量相關(guān)性，土的模量[7-8]可以表示為彈性模量，，通過分析比較圖樁體模量以及土體模量的相互作用性，可以反映其樁土的作用關(guān)系，從而提高樁體和土體參數(shù)的準(zhǔn)確性，減小誤差。長短樁復(fù)合地基的復(fù)合模量確定如下：

(1) 將長短樁復(fù)合地基視為天然地基。加固土層壓縮提高系數(shù)為ζ1，根據(jù)每個土層的壓縮模量所得，ζ1可按照下式計算：

ζ1=fspk/fak

fak—天然地基承載力特征值，kPa；

fspk—長短樁復(fù)合地基承載力特征值，kPa。

(2) 計算了等效天然地基法以及短樁復(fù)合地基的復(fù)合模量，即長短樁復(fù)合地基的復(fù)合模量。將短樁樁長范圍內(nèi)各個土層的模量均乘以ζ2得到加固區(qū)后各土層的模量。ζ2可以按下式計算：

ζ2=fspk1/fspk

fspk1—長樁單獨加固復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

fspk—長短樁復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

2 加權(quán)模量法

復(fù)合地基沉降計算的關(guān)鍵在于分析土中附加應(yīng)力的分布及復(fù)合地基復(fù)合模量的計算。在了解長短樁復(fù)合地基的受力變形機(jī)理后，再來討論其復(fù)合模量的確定方法。

在復(fù)合模量法中，樁土復(fù)合模量通常采用面積加權(quán)法計算，在復(fù)合地基中假設(shè)樁土共同作用時變形協(xié)調(diào)，按照材料力學(xué)方法，由樁土變形協(xié)調(diào)條件推導(dǎo)出面積加權(quán)公式。

長短樁共同加固區(qū)復(fù)合模量：

Esp1=m1Ep1+m2Ep2+(1-m1-m2)Es

長樁單獨加固區(qū)復(fù)合模量：

Esp2=m1Ep1+(1-m1)Es

式中，Ep1、Ep2、Es分別為長樁、短樁和樁間土壓縮模量,m1、m2分別為長樁和短樁的面積置換率。

該方法簡單，并且具有一定的精度。但其假設(shè)過于理想，不能反映復(fù)合土的變形特性，因而存在一定的缺陷。對于中、高粘結(jié)強(qiáng)度樁，如果兩樁復(fù)合地基材料相同而樁長不同，土壓縮模量Es相同。較高的復(fù)合模量相同樁在相同的條件下，樁端落在軟、硬層的復(fù)合模量是不一樣的，但根據(jù)上面的公式計算是一樣的，體現(xiàn)不出最終的效果。

3 工程實例沉降計算

3.1 工程概況

擬建天洋城三期工程地點位于燕郊開發(fā)區(qū)億豐大街南側(cè)、漢王路西側(cè)。場地所處地貌類型為第四紀(jì)河流沖擊平原地貌。剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，埋置深度7 m。經(jīng)地質(zhì)勘查，基礎(chǔ)持力層以3層粉質(zhì)粘土為主。由于基底以下存在較厚的雜填土，天然地基不能滿足要求。經(jīng)對樁基和復(fù)合地基的分析，地基采用CFG樁和素混凝土夯擴(kuò)樁組合的復(fù)合地基處理形式?；A(chǔ)底面尺寸長90 m，寬14 m。CFG樁有效樁長29 m，直徑為450 mm，共295根，正三角形布樁，樁間距為1.5 m。夯擴(kuò)樁共295根，有效樁長為8 m，直徑為500 mm。兩類樁體材料采用碎石、中粗砂，按體積比2 ∶1人工拌和，碎石最大粒徑小于30 mm。各土層參數(shù)見下表1所示。

表1 土層主要物理參數(shù)

3.2 等效天然地基法沉降計算

根據(jù)布樁情況可知，長樁和短樁的面積置換率分別為0.018和0.022，截面積分別為0.159 m2和0.196 m2?；A(chǔ)底面附加應(yīng)力為305.4 kPa。

加固區(qū)承載力特征值：

=281.754(kPa)

式中β—樁間土發(fā)揮系數(shù)，結(jié)合工程經(jīng)驗取值0.95.

取沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs=0.25，計算過程如圖表2所示，所得沉降量為：

長短樁共同加固區(qū)沉降量：

長樁加固區(qū)沉降量：

下臥層沉降量：

計算結(jié)果表明，總沉降量為33.9 mm。沉降主要發(fā)生在加固區(qū)，加固區(qū)沉降占總沉降的比值為92.64%。下臥層沉降量不大。

表2 等效天然地基法地基沉降量計算

續(xù)表

3.3 加權(quán)模量法沉降計算

在本工程中，長樁和短樁的壓縮模量分別為30000 MPa和17500 MPa，面積置換率分別為0.018 m2和0.022 m2，沉降計算經(jīng)驗系數(shù)為0.25。其計算過程如下表3所示，各部分沉降量分別為：

長短樁共同加固區(qū)沉降量：

長樁加固區(qū)沉降量：

下臥層沉降量：

計算結(jié)果表明，總沉降量為3.0 mm，加固區(qū)的沉降量較小，加固區(qū)沉降占總沉降的比值為15.93%，而下臥層沉降量較大。

表3 加權(quán)模量法地基沉降量計算

3.5 計算與實測結(jié)果對比分析

從對比中可以看出，等效天然地基法得出總沉降量為33.9 mm。沉降主要發(fā)生在加固區(qū)，加固區(qū)沉降占總沉降的比值為92.64%。下臥層沉降量不大。采用加權(quán)模量法得出總沉降量為3.0 mm，

表4 沉降計算結(jié)果

加固區(qū)的沉降量較小，加固區(qū)沉降占總沉降的比值為15.93%，而下臥層沉降量較大。這與等效天然地基法得出的結(jié)果不同。雖然加權(quán)模量法計算比較簡單，但是沉降計算的誤差比較大，而等效天然地基法計算結(jié)果比較符合實際。

4 討論

加權(quán)模量法的適用于散體樁或柔度較大的樁，并沒有考慮樁長效應(yīng)和樁端阻力效應(yīng)。針對剛性長短樁體在復(fù)合地基中，樁體對褥墊層及下臥層都具有一定的刺入變形。而在實際工程中，樁體的壓縮模量是由樁身模量和土層模量共同決定的。造成僅由樁身壓縮模量計算得到的復(fù)合模量和實際有很大誤差，因而計算得到長短樁復(fù)合地基的沉降量很小，不符合實際需要。

在實際工程中，由于存在樁頂和樁底的刺入變形，樁身應(yīng)變εp遠(yuǎn)小于樁間土應(yīng)變εs，加權(quán)模量法計算與實際情況相比誤差較大，計算沉降量往往偏小。針對剛性長短樁復(fù)合地基加固區(qū)的復(fù)合模量過于放大，用樁體材料的壓縮模量計算復(fù)合模量不能準(zhǔn)確反應(yīng)樁體的實際作用，應(yīng)引入一個參數(shù)μ表示模量發(fā)揮系數(shù)即:

式中:n表示樁土應(yīng)力比。故加權(quán)模量法改進(jìn)后的長短樁復(fù)合地基各部分壓縮的復(fù)合模量為：

Esp=μ1m1Ep1+μ2m2Ep2+(1-m1-m2)Es

Esp2=μ1m1Ep1+(1-m1)Es

由于其受力的復(fù)雜性及眾多影響因素，對于長短樁復(fù)合地基的變形計算影響因素比較復(fù)雜，對樁頂和樁底的刺入變形計算和土層壓縮模量需要考慮各種因素，故本文提出一種思路方法進(jìn)行

加權(quán)模量法計算方法的改進(jìn)，希望針對其復(fù)合地基沉降計算有助于深入研究。

5 結(jié)論

(1) 等效天然地基計算計算結(jié)果比較符合實際，加權(quán)模量法計算雖然比較簡單，但是沉降計算的誤差比較大。

(2) 加權(quán)模量法沉降計算中，樁體對褥墊層及下臥層都具有一定的刺入變形。針對剛性長短樁在復(fù)合地基中的壓縮模量計算沒有考慮樁頂和樁底的刺入變形效應(yīng)。而在實際工程中，僅由樁身計算得到的壓縮模量和實際有很大誤差，因而計算得到長短樁復(fù)合地基的沉降量很小，不符合實際需要，提出一種改進(jìn)的思路和方法。

[1] 樁基工程手冊編寫委員會.樁基工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB5007-2011建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 龔曉南.復(fù)合地基設(shè)計和施工指南[M].人民交通出版社,2003.

[4] 閻明禮,張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實踐[M].中國水利水電出版社，2001.

[5] 劉海濤,謝新宇,程功，等.剛-柔性樁復(fù)合地基試驗研究[J].巖土力學(xué),2005,26(2):303-306.

[6] 李鋒利.長短樁組合樁基礎(chǔ)室內(nèi)模型試驗分析研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2006.

[7] 陸華,高全臣,吳浩，等.長短組合樁復(fù)合地基沉降預(yù)測研究[J].施工技術(shù)，2013,42(19)：30-36.

[8] 潘烈.填方路基下長短樁復(fù)合地基的沉降特性研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2012.

Analysis and Discussion on Settlement Calculation Method of Long and Short Pile Composite Foundation

ZHANG Chang-jin，ZHANG Yong

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

The foundation settlement calculation is a great problem in the foundation engineering. Although many studies have made great efforts in settling calculations, there are still significant differences in computational accuracy. The existing theory of composite foundation settlement for long and short pile has been in the process of groping and developing. In this paper, the equivalent natural foundation method and the weighted modulus method are used to calculate the settlement.The results show that (1) The calculation results of the equivalent natural foundation are realistic, and the calculation of the weighted modulus method is simple, but the error of its settlement calculation is larger.(2) In the settlement calculation of the weighted modulus method, the pile has a certain piercing deformation on the mattress layer and the layer under the floor. The calculation of the compressive modulus of the rigid long and short pile in the composite foundation does not take into account the piercing deformation effect of the pile top and the pile bottom. In the actual engineering, the composite modulus calculated by the compressive modulus of the pile only has a great error. Therefore, it is calculated that the settlement of the composite foundation is very small and does not meet the actual needs. Therefore, this paper proposes a method that improves weighted modulus method, and it is hoped that it can help to the deep study on the calculation of composite foundation settlement.

long and short pile composite foundation; equivalent natural foundation method; weighted modulus method

2017-03-25

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助(3142015145,3142015136)

張昌進(jìn)(1990-)，男，山東泰安人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生。E-mail：1057995126@qq.com

TU473.1

A

1672-7169(2017)02-0044-05