散體材料樁復合地基沉降計算方法探討

張鳳濤

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300000)

近年來，隨著我國基礎建設的發展，遇見的地基問題也越來越多，這就不可避免的要運用地基處理技術來解決這個問題。其中散體材料樁(如振沖碎石樁、砂樁等)由于技術簡單、施工簡便，得到越來越廣泛的應用。但由于散體材料樁復合地基的復雜性，其沉降計算的理論還不成熟。

1 散體材料樁復合地基沉降工作機理

散體材料樁與剛性樁(如CFG樁等)不同，主要由散體材料組成，如砂和碎石等。散體材料自身沒有膠結力，需要樁周土形成約束才能作為增強體。當散體材料樁復合地基受到外力時，由于散體材料沒有膠結力，自然產生橫向變形，受到樁周土體的約束，最終樁土協調一致共同變形。在分析碎石樁或砂樁的橫向變形基礎上建立的沉降計算方法，將散體樁橫向變形用在極限狀態分析當中。

2 沉降計算方法

2.1 復合模量法

散體材料樁復合地基樁土模量比不大，樁土應力比也不大，樁土變形協調，樁周土與樁體的強度發揮基本一致，因此實際工程中沉降量一般用復合模量法。

復合地基的沉降模量按下式計算:

其中，Esp'，Ep'，Es'分別為復合地基、碎石樁、樁周土的沉降模量。

復合模量法的關鍵問題是復合模量的確定。很多學者對此進行了研究，如蔡飛、李廣信［1］認為碎石樁樁側摩阻力為折線分布與試驗結果較一致，得到碎石樁樁體壓縮模量公式為:

其中，Lt為載荷P對碎石樁的影響深度;Ka為主動土壓力系數;v為碎石樁的泊松比。

盛崇文［2］認為彈性模量可通過載荷試驗P—S曲線確定:

在此基礎上進行修正可得沉降模量E':

其中，w為載荷板形狀系數;E為彈性模量;v為泊松比;P為平均荷載，kPa。

對于剛性基礎，盛崇文認為 Esp'=nEs'，其中，n為樁土應力比，而:

在盛崇文理論框架下，姜前［3］對由載荷試驗推求碎石樁的變形模量進行了改進:

其中，H為載荷P對碎石樁的影響深度;S為單樁載荷試驗對應于荷載P的沉降值。

2.2 沉降折減法

復合地基加固區沉降的計算目前較多采用的是沉降折減法，考慮復合地基發揮的作用而對天然地基的沉降量進行折減的方法，其計算公式有多種。常根據天然地基的沉降量S0，由面積置換率m，樁土應力比n，通過沉降折減系數來求出，即:

因此，重要的一點是如何求得合理的n值，也可以說是β。

郭蔚東［4］應用應力剪脹理論，提出了考慮到樁土剪脹性的樁土應力比和沉降折減系數的簡明實用計算公式。

張定［5］根據剛性基礎下復合地基中樁與土在荷載作用下變形的連續性和協調性，分析樁與土的應力與應變關系，并建立樁土應力比表達式及復合地基的沉降折減系數計算公式。

2.3 分段計算法

對散體材料樁復合地基樁與樁間土的相互作用進行研究，根據室內模型試驗表明:在樁頂附近2倍樁徑深度范圍內存在應力集中現象。散體材料樁在一定深度內發生鼓脹破壞，因此，將復合地基分為鼓脹段、非鼓脹段和下臥層3段進行沉降計算。鄧修甫［6，7］提出將碎石樁簡化成等體積墻體，將樁體分為鼓脹段與非鼓脹段計算沉降，并推導出相應的計算公式。孫林娜［8］假定樁—土協調變形，利用彈性力學空間問題理論推導出散體材料樁復合地基的沉降計算公式。

3 沉降計算方法評述

3.1 復合模量法

龔曉南［9］通過電算模擬分析，得出結論:上部的復合加固土層壓縮模量Esp'與下臥土層壓縮模量Es'的比值大約為1.6～2.2。這種情況應力分布近似于均質地基。故對散體材料樁復合地基的應力分布，宜按均質地基計算較為合理、簡便、實用。

3.2 沉降折減法

上述各種求沉降折減系數的方法都是在一定假設的基礎上，應用不同的理論推導所得，均有一定的適應性和局限性。郭蔚東［4］是應用應力剪脹理論針對飽和黃土而推導出沉降折減系數，對其他土質有一定的局限性，另外計算樁土應力沒能考慮面積置換率的影響。張定［5］根據復合地基樁土應力應變連續協調的原理，其作用機理能較好的反映實際情況，適用性較強，該法在形式上與應力修正法有相似之處，但機理分析不同，它是根據復合地基中樁土應力及變形的協調關系導出的。

3.3 分段計算法

將樁體分為鼓脹段與非鼓脹段計算沉降，反映了碎石樁復合地基在深度范圍內各自的工作性狀，物理意義明確。鄧修甫［6，7］考慮了樁徑和樁距對加固效果的影響，比較合理。但不足之處在于這種方法沒有考慮樁土的共同作用問題，孫林娜［8］將散體材料樁復合地基樁與樁間土的相互作用視為空間問題，比較符合實際。

4 結語

上述這些方法都是基于剛性基礎下樁土等應變的假定，將其用于公路和鐵路路堤等柔性基礎下的加固區沉降計算時，往往與實際值差異很大。另外，碎石樁本身具有良好的透水性，在荷載作用下，樁間土孔隙壓力向樁體轉移消散，上述這些方法都忽略了樁間土的排水固結而引起的樁間土有效應力增大和強度提高對沉降計算的影響。由于上部結構、基礎、地基三部分是不可分割的統一整體，在荷載作用下，各部分的性狀相互影響，所以建立考慮上部結構、基礎、復合地基共同作用的沉降方法更符合實際情況。

［1］李廣信，蔡 飛.旁壓試驗在計算碎石樁荷載沉降關系中的應用［J］.勘察科學技術，1993(6):13-15.

［2］盛崇文.碎石樁復合地基的沉降計算［J］.土木工程學報，1986，19(1):72-80.

［3］姜 前.計算碎石樁復合地基變形模量的新方法［J］.巖土工程學報，1992，14(4):53-58.

［4］郭蔚東，錢鴻縉.飽和黃土碎石樁地基沉降計算［J］.土木工程學報，1989，22(2):13-21.

［5］張 定.散體材料復合地基中樁體變形模量的分析與計算［J］.巖土工程學報，1999，21(2):205-208.

［6］鄧修甫，王祥秋.干振碎石樁復合地基沉降計算方法探討［J］.水文地質工程地質，2003(3):92-94.

［7］鄧修甫，劉新華，張 琳.碎石樁復合地基沉降計算方法［J］.湘潭礦業學院學報，2003，18(4):55-57.

［8］孫林娜，龔曉南.散體材料樁復合地基沉降計算方法的研究［J］.巖土力學，2008，29(3):846-848.

［9］龔曉南，陳明中.關于復合地基沉降的一點看法［J］.地基處理，1998，9(2):10-18.