水下振沖碎石樁單樁承載力計(jì)算方法研究

陳翠翠

1 研究背景

振沖碎石樁作為一種軟基處理方法，是在振沖器作用下，使天然軟土層被振密，同時(shí)在天然軟弱土層中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成碎石樁樁體，樁體和樁周地基土組成復(fù)合地基。它既可以有效提高復(fù)合地基承載力，降低工程后期沉降量，又可以配合砂墊層等其它地基處理措施，加快軟土地基的固結(jié)速度，進(jìn)而達(dá)到軟土地基加固的目的，比較適用于對(duì)地基承載力要求不高的工程。

振沖碎石樁復(fù)合地基在道路、建筑等領(lǐng)域施工及檢測(cè)等方法已日漸成熟，相對(duì)于陸上工程，振沖碎石樁復(fù)合地基在港口工程中的應(yīng)用案例還比較有限，水下振沖碎石樁的設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法還需要進(jìn)一步研究，施工相關(guān)技術(shù)還有待改進(jìn)，其檢測(cè)技術(shù)還有待提高，相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)還有待積累。根據(jù)《港口工程碎石樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JTJ 246-2004）中的有關(guān)規(guī)定振沖碎石樁檢測(cè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，但水上工程大多受水上環(huán)境的限制，無法像陸上施工一樣進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)。由于目前碎石樁在港口實(shí)際工程地基處理中的應(yīng)用還不夠廣泛，我國(guó)規(guī)范關(guān)于水下振沖碎石樁復(fù)合地基的承載力計(jì)算及檢測(cè)方法經(jīng)驗(yàn)較為缺乏。本文基于典型工程中檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Brauns計(jì)算方法進(jìn)行修正，提出水上振沖碎石樁單樁承載力計(jì)算公式。

2 碎石樁承載力近似計(jì)算理論

振沖碎石樁復(fù)合地基的承載力，不但決定于碎石樁樁體的置換率和密實(shí)度，同時(shí)還受樁間土的性質(zhì)和強(qiáng)度制約。工程界認(rèn)為碎石樁樁長(zhǎng)達(dá)到一定的臨界長(zhǎng)度（目前一致認(rèn)為該長(zhǎng)度大概可以取為4倍的樁徑）時(shí)樁體一般可以不考慮刺入破壞的情況。在某些特殊情況下，如基底面積相對(duì)較小，而同時(shí)局部的荷載偏大時(shí)，樁頂容易產(chǎn)生剪切破壞。對(duì)于振沖碎石樁復(fù)合地基來說，多數(shù)情況下還是以樁周土對(duì)樁體的約束力不足，無法保證樁形，導(dǎo)致樁體產(chǎn)生膨脹破壞，同時(shí)樁間土對(duì)樁體的約束力也是隨著深度的增加而增加。所以樁體容易產(chǎn)生膨脹破壞的位置以樁頂附近區(qū)域?yàn)橹鳌，F(xiàn)有的幾種計(jì)算模型，也都是基于以上分析建立起來的。

上部荷載作用下振沖碎石樁樁體發(fā)生膨脹破壞時(shí)，樁周土則進(jìn)入塑性狀態(tài)或極限平衡狀態(tài)，根據(jù)土力學(xué)三軸壓縮試驗(yàn)的受力情況，計(jì)算振沖碎石樁的單樁承載力。同時(shí)提出以下公式：

式中：—樁體的單樁承載力;

—樁間土的極限應(yīng)力;

—樁體材料的被動(dòng)土壓力系數(shù)。

通過以上公式，問題就轉(zhuǎn)化為如何求取樁側(cè)土的側(cè)向應(yīng)力。

Brauns（1978年）認(rèn)為樁體于荷載作用下產(chǎn)生鼓脹變形，致使樁周土達(dá)被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，如圖1所示。并假設(shè)：

（1）樁體上部鼓脹破壞段長(zhǎng)度為，其中為樁體半徑，，為樁材料的內(nèi)摩擦角;

（2）樁周土與樁體間的摩擦力，極限平衡土棱體中環(huán)向應(yīng)力;

（3）不計(jì)樁間土和樁體的自重。

再根據(jù)樁周土破壞棱體上作用力的極限平衡，求得樁周土側(cè)向極限應(yīng)力為式2：

式中：—樁間土不排水抗剪強(qiáng)度;

—滑動(dòng)面與水平面的夾角;

—樁周土表面荷載。

將式（2）代入式（1）即獲得該單樁的極限承載力的表達(dá)式3為：

其中由下式試算求出。

3 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的Brauns修正計(jì)算方法

前文所述的各種計(jì)算方法多是通過理論推導(dǎo)得出的，本文根據(jù)工程實(shí)際測(cè)得得動(dòng)力觸探曲線得出，在樁體上端1倍樁徑范圍內(nèi)的樁體將出現(xiàn)鼓脹破壞，而且隨著時(shí)間的推移和沉降的完成，下部土體固結(jié)完成，土體得到有效的加固，不再出現(xiàn)更大范圍的樁體鼓脹破壞，所以本文擬在Brauns算法的基礎(chǔ)上，考慮樁體和樁周土的自重，同時(shí)擬將其第一條假設(shè)修改為樁體上部鼓脹破壞段長(zhǎng)度為（即1倍樁徑）。推導(dǎo)過程如圖2。

推導(dǎo)過程中各符號(hào)意義：

為樁間土面上應(yīng)力作用面積（）;為的作用面積（）;為的作用面積（）;為樁頂應(yīng)力（kPa）;為樁間土受到的應(yīng)力（kPa）;為破壞面與水平角的夾角（o）;為地基土的不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）;為鼓脹破壞時(shí)地基土作用于樁的側(cè)向力（kPa）;為鼓脹破壞時(shí)地基土的自重應(yīng)力（kPa）;為作用于AB面的地基土自重應(yīng)力（kPa）;為碎石樁半徑（m）;為樁的破壞長(zhǎng)度（m）;為樁間土摩擦力（kPa）;為鼓脹破壞時(shí)破壞范圍內(nèi)樁的自重應(yīng)力（kPa）。

基本假設(shè)：在Brauns理論基礎(chǔ)上，結(jié)合碎石樁受力特性，考慮地基土和樁體自重作用并作以下假設(shè)：

（1）樁的破壞長(zhǎng)度，為樁的半徑;

（2）樁間土摩擦力，土體中的環(huán)向應(yīng)力，如圖3所示：

由圖2中碎石樁受力模型分析，根據(jù)圖4力的多邊形投影在方向的力的平衡方程式見式6：

根據(jù)檢測(cè)資料確定

將代入式（6）中得：

求單樁極限承載力時(shí)，所有外部荷載作用在樁頂，=0。

求得，同時(shí)根據(jù)上式的函數(shù)關(guān)系可以知道，隨著樁間土受到荷載的增大，破裂角也將急劇增大。

即：

將本工程的數(shù)據(jù)代入上式，取為2.2kPa，土體重度為水下以7kN/m?計(jì)算，樁徑為1.4m，土體承受的荷載取原狀土承載力80kPa，取為61°，樁體重度為11kN/m?。代入上式可以得出單樁承載力為418kPa，本工程動(dòng)力觸探檢測(cè)單樁承載力為448kPa，該公式計(jì)算結(jié)果與該數(shù)值偏差為6.6%，與實(shí)際檢測(cè)情況基本相符。

將本式計(jì)算所得單樁承載力結(jié)果=418kPa，=0.55，=80kPa代入復(fù)合地基承載力計(jì)算公式，可得：

計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

現(xiàn)有水上振沖碎石樁檢測(cè)方法存在不足，重型動(dòng)力觸探存在較大的誤差，應(yīng)盡量采用多種檢測(cè)手段進(jìn)行調(diào)整。本文對(duì)實(shí)際工程振沖碎石樁采用重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Brauns計(jì)算公式進(jìn)行了修正，得到了水上振沖碎石樁單樁承載力的修正公式。通過實(shí)際工程中碎石樁重力觸探檢測(cè)數(shù)據(jù)及土壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)振沖碎石樁的單樁承載力、計(jì)算方法等進(jìn)行研究分析，其研究結(jié)果對(duì)振沖碎石樁的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)有一定的幫助，對(duì)振沖碎石樁的工作機(jī)理加以明確，在以后的港口工程中對(duì)振沖碎石樁的推廣使用有一定的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：陳翠翠（1985-），女，山東人，工學(xué)碩士，工程師，從事港口工程設(shè)計(jì)及相關(guān)研究工作。