公路 2003 年 1 月 第 1 期 H IGHW A Y J an12003 N o 11 文章编号: 0451- 0712 (2003) 01- 0021- 04 中图分类号: TU 472 文献标识码: A
碎石桩复合地基承载力分析
碎石桩、砂桩挤压成孔时, 桩孔位置原有土体被 强制侧向挤压, 使桩周一定范围内的土层密实度提 高, 起到挤密作用。单个桩孔外侧土挤密效果试验表 明, 孔壁附近的干密度接近或超过其最大干密度, 其 压实系数大于 1。 径向外延密度逐渐减小到土体的 天 然密度。 碎石桩的挤密效果主要受桩孔间距、 土的渗透性、土的含水量、土的干密度等几方面因素 影响。
成桩过程中, 碎石、砂砾等材料挤压土体, 并在 土中形成一定桩径和桩长的桩体, 与土体共同组成 复合地基。密实的碎石、砂砾等替换成孔中同体积的 低模量、低强度土体, 由于桩体强度和抗变形能力均
收稿日期: 2002- 11- 04
D esign of B itum inous Concrete Pavem en t Structure and M a ter ia ls Com position of Tan-Shao Expressway
式; (5)W ong H Y 计算式。桩土共同作用分析表明:
(1) 散体桩承载时竖向压密、径向膨胀, 在 2 个方向
应力～ 应变符合虎克定律; (2) 桩周土为弹塑性体,
弹性区应力应变关系为 p = ky 塑性区符合库仑土 压 力 理 论。 因 此 可 引 入 魏 西 克 圆 筒 扩 张 理 论[5]
料, 结合工程实践经验数据, 选用相应的桩承载力标
准值, 由下列公式计算获得:
f = sp , k [ 1+ m (n - 1) ]f s, k
(8)
f = sp , k [ 1+ m (n - 1) ] (3S v )
(9)
式中: S v 为桩间土十字板剪切强度, 也可采用 加固前原土的十字板剪切强度。
积的增大, 尽管要求的地基承载力相同, 但施加的总 荷载随之剧增, 且操作困难、耗资大、费时费力, 具体
试验方法可参考有关规范规程规定, 此不赘述。
313 经验法
当工程条件所限, 难以进行荷载试验, 给出复合 地基或桩体与桩间土的承载力时, 对于中小型工程
或在初步设计阶段时, 可根据地基天然土质勘察资
应力比 n 一般取 2～ 4, 原土强度低者取大值, 高者取小值。 其参考值如表 1 所示[2]。
表 1 桩土应力比参考值
桩间土类型 砂土、粉土
应力比 n
2～ 3
填土 3～ 5
软塑粘性土
3～ 4
4～ 6
4 复合地基桩土应力比 n 的计算 复合地基的沉降取决于地基中桩的置换率m
和桩土应力比 n。 因此在对过渡区沉降要求一定的 前提下选择合适的置换率和桩土应力比是实现工程
当碎石桩采用振冲法施工时, 施工过程中桩周 土经强烈振动, 土粒将重新排列密实, 使地基土体得 到预振的效果。西特等人 (1975) 研究表明, 经预振过 的砂土, 虽其振后的密实度仅为 54% , 而其抗地震 液化的能力却相当于密实度为 80% 的未经预振的 砂土抗地震液化的能力。 115 挤密效应
土力学性能的差异和存在横向共同作用的特ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ, 目
前在分析散体桩复合地基桩土共同作用时, 对桩土
水平方向通常有如下几种共同作用模式: (1) 桩对桩
间土的径向挤压力按弹性理论厚壁筒计算; (2) 土对
桩产生被动土压力; (3) 采用魏西克 (V isic, 1973) 理
论计算桩土径向压力; (4) H ughes 和W ithers 计算
复合地基是指通过置换、搅拌等方式在原地基 中植入增强体, 由原地基和增强体组成的人工复合 体地基[1]。碎石桩复合地基在基础整体变形下, 通过 桩、土的变形协调, 大部分荷载传递给刚度大、强度 高的碎石桩体, 土体上的负荷大为减小, 故复合地基 的工程性能明显改善, 承载力提高, 增强稳定性, 沉 降和不均匀沉降减少, 且碎石桩复合地基还具有施 工简便、快速、工期短、适用性广和投资较少的特点。 随着我国交通事业的迅速发展, 复合地基在高速公 路建设中的应用日益广泛, 然而碎石桩复合地基承 载力的计算尚未完善, 有待进一步深入, 为此本文在 对现有碎石桩承载力计算分析的基础上, 通过对桩 土应力比的修正, 以达到对碎石桩复合地基承载力 计算的优化。
经济性的关键。
411 半理论半经验公式 复合地基理论认为柔性桩和半刚性桩在承受荷
载时符合桩土变形协调原则, 桩土应力比 n 为[4]:
n=
Ep Es
(10)
该公式物理意义简单明确, 应用广泛。但也存在
一些不足, 其体现的桩土变形协调原则仅考虑了桩
土竖向变形而没有考虑桩土侧向变形协调关系。 由
于柔性桩和低结合料掺量的半刚性桩具有散体材料
的性质, 在确定桩土应力比时, 还要考虑土对桩体的
约束作用, 即桩在荷载作用下产生侧向膨胀而土体
产生侧向压缩。 一般而言土的强度、刚度越高, 桩受
到的侧向约束越强, 桩在荷载作用下表现出的刚度
越大。
412 基于魏西克 (V isic) 圆筒扩张理论的桩土应力
比计算公式
传统的桩土应力比计算公式理论上忽略了桩、
M ind lin2Geddes 法以及当层法等, S x 的计算则仍可 采用分层总和法, 可参考有关文献, 此不赘述。
3 碎石桩复合地基承载力分析 碎石桩复合地基承载力的确定, 通常可分为近
似理论公式、现场荷载试验及经验公式三大类。
311 近似理论公式 其假定碎石桩复合地基承载力由地基中碎石桩
的承载力标准值 f p, k 和桩间土的承载力标准值 f s, k 共同组成。基础传递的荷载按桩、土各自的刚度进行
1 碎石桩复合地基加固机理 碎石桩复合地基以密实的碎石、砂取代了与桩体
体积相同的低模量、低强度土体, 在承受外荷时, 地基 中应力按桩土应力比重新分配, 应力向桩体逐渐集 中, 桩周土体所承受的压力相应减小, 大部分荷载由 碎石桩体承受。由于桩的强度和抗变形能力均优于土 体, 故成形后的复合地基承载力、模量也优于原土体, 从而达到减小变形, 提高承载力的效果[2]。 其加固机 理通常有挤密、置换、排水、预振和垫层等作用。 111 置换作用
Ρs+
1 2
ΧsZ +
2C u s in 2∆
tan ∆p tan∆
+
1
tan2∆p -
1 2
Χp Z
(5) 当 Ρs= 0 时:
p pf =
1 2
ΧsZ +
2C u s in 2∆
tan ∆p tan∆
+
1
tan2∆p -
1 2
Χp Z
(6)
碎石桩承载力标准值则为:
2003 年 第 1 期 赵明华等: 碎石桩复合地基承载力分析
WU S ha n -zhou, ZH AN G M eng -wu, WU Cha o-f a n
(H unan P rovincial Comm un ication Scien tific R esearch In stitu te, Chang sha 410015, Ch ina)
Abstract: T he design of b itum inou s concrete p avem en t st ructu re and m a teria ls com po sit ion of T an2 Shao Exp ressw ay a re com p rehen sively in t roduced in th is p ap er. T he techn ica l requ irem en t s of raw m a teri2 a ls, techn ica l index of a sp ha lt m ix tu re and design of m ix tu re ra t io a re p u t fo rw a rd in acco rdance w ith the actua l cond it ion s of T an2Shao Exp ressw ay.
= ΛsS s
(2)
Λs= 1 [ 1+ (n+ 1)m ]E s
(3)
式中: Λs 为应力修正系数, 即应力分散系数; S s
为未加固前原土的沉降
加固区下卧土层未加固处理, 其工程特性未变,
但因其上复合土层的工程性能变化, 故下卧层应力
分布有所改变, 目前常用的复合地基下卧层附加应
力 分 布 计 算 方 法 有 应 力 扩 散 法、等 效 实 体 法、
擦角 Υp 等, 不仅取决于碎石本身的性质, 还与桩间 土的特性、振冲施工工艺、加密标准、振冲器功率的
大小等多种因素有关, 因此计算结果常与实际情况 相差较大, 工程中应用较少。 以下给出在B raun s 方 法基础上, 考虑碎石桩与地基土的自重应力所推导 得到的单桩极限承载力公式[ 2 ]:
p pf =
赵明华1, 刘建华1, 刘代全2, 陈昌富1
(11 湖南大学土木工程学院 长沙市 410082; 21 湖南省高速公路管理局 长沙市 410001)
摘 要: 碎石桩复合地基作为纵向增强体复合地基的一种, 不仅在工程中能取得良好的效果, 而且还能取得良 好的经济效益。在对碎石桩复合地基现有半理论半经验公式分析的基础上, 充分考虑其纵向协调变形, 对碎石桩复合 地基的承载力计算进行探讨, 使对碎石桩的设计计算进一步完善。 关键词: 复合地基; 碎石桩; 桩土应力比; 协调变形
Key words: exp ressw ay; b itum inou s concrete p avem en t; design