水泥土攪拌樁復合地基承載力可靠度研究綜述

吳 全 偉

(上海理工大學，上海 200093)

水泥土攪拌樁復合地基承載力可靠度研究綜述

吳 全 偉

(上海理工大學，上海 200093)

分析了近年來研究者對水泥土攪拌樁復合地基承載力可靠度的研究情況，主要對攪拌樁復合地基承載力研究現狀、極限狀態方程的建立、隨機變量的概率分析、可靠度的計算及設計方法進行了論述，最后對研究成果進行了總結，并作了展望。

攪拌樁，復合地基，承載力，可靠度

0 引言

近年來，我國在土木工程建設中取得巨大成就，取得良好的經濟效益和社會效益，相關科學技術也取得長足的進步，其中地基處理技術已愈來愈受到人們的關注。一方面，受客觀條件的限制，一些工程需要在土質條件較差的地基上進行，這就需要對不良地基進行加固；另一方面，隨著各種高層建筑的大量建設，建筑體型越來越多，荷載也在不斷的增大，對地基變形的要求也越來越嚴格，因此，需要在特定的條件下進行地基處理，進一步加強地基承載力，控制承載力。水泥攪拌樁加固軟土地基是地基處理的一種常用方法，有著許多優點。水泥攪拌樁具有振動小、噪聲低、無污染、速度快、施工機械簡單、施工效率高和造價相對較低等優點，因此，在鐵路、公路、市政工程、港口碼頭、工業與民用建筑等軟土地基加固方面得到廣泛應用。然而，由于復合地基受力變形和破壞機理還未完全總結和完善，水泥攪拌樁復合地基的不確定性因素較多，如計算模型的不確定性，土性參數的不確定性等，這就需要我們利用已有資料對復合地基承載力進行可靠度研究。因此，應著眼于過去的成果或者現場作試樁試驗，補充完善設計公式，對復合地基承載力進行概率分析，這在工程上有很大的應用價值。

1 攪拌樁復合地基承載力可靠度研究現狀

1.1 國外研究歷史與現狀

巖土工程是可靠度理論應用的一個重要領域。它與結構可靠性分析有許多相通之處，許多結構可靠性的分析方法可以應用于巖土工程中。

Casagrande A(1965)首次提出了巖土工程中計算風險的問題，開始了可靠度在巖土方面的研究[1]。

Kitazume M(2000)通過離心模型試驗發現攪拌樁復合地基的破壞模式不僅僅是圓弧滑動破壞，還有可能是樁體彎曲破壞、旋轉破壞、張拉破壞、樁間土的擠出等[2]。

巖土工程可靠性研究在國外已經有許多專題研討會，發展的速度較快。國際標準化組織巖土工程技術委員會規定采用極限狀態設計原則和分項系數的方法，并且按巖土工程等級給出了可靠性指標的建議值。

1.2 國內研究歷史與現狀

我國土力學中可靠度的研究起步較晚，落后于國外，但近年來也取得了一些成果。我國在巖土工程方面可靠度研究主要有經驗方程的建立和回歸分析、土層的概率分布模型、土性參數的不確定性、土工數據的統計處理以及可靠性理論應用方面的研究，如基礎沉降、基礎承載力、土坡的穩定性等。下面列出的是一些較典型的成果。

陳曉平(1998)研究了天然地基承載力可靠度、單樁承載力可靠度，并且分析研究了復合樁基承載力分項系數[3]。

何軍，趙彤(2000)根據從國內收集的31組深層攪拌樁復合地基承載力試驗數據，采用JC法對復合地基承載力可靠度進行全面的探討，并給出了各工況下的可靠度指標[4]。

肖溟等(2000)采用Monte-Carlo法探討了深層攪拌樁基于面積比公式的承載力的可靠度指標計算方法[5]。

洪昌華，龔曉南(2000)研究了水泥系深層攪拌樁復合地基承載力概率分析的方法。主要通過概率分析確定了樁間土以及樁體極限承載力的均值和方差，得到復合地基極限承載力的概率特性，并且利用靜載試驗結果對得到承載力概率特性進行Bayes更新[6]。

張銦等(2003)建立了復合地基的極限狀態方程，并且得到復合地基失穩的模糊概率公式，分析土性參數得出地基承載力的模糊概率主要的影響因素來自于γ，φ的變異，而γ的變異系數影響很小[7]。

丁繼輝等(2007)以可靠度理論為基礎，建立了剛柔組合樁復合地基可靠度概率分析模型，通過對復合地基可靠度影響因子的分析來指導設計，從而充分發揮柔性樁和剛性樁各自優點[8]。

徐志軍等(2010)研究了樁式復合地基的失效模式，將模糊邏輯引入到樁式復合地基的可靠度分析中，解決了地基失效時的模糊性問題，并利用熵原理和牛頓迭代法計算出熵密度函數，然后利用辛普森積分公式推導出樁式復合地基的模糊失效概率[9]。

2 極限狀態方程的建立

2.1 復合地基極限承載力

復合地基的破壞模式有兩種情況：一種是樁體首先發生破壞進而引起復合地基的全面破壞；另一種是樁間土首先破壞進而引起復合地基的全面破壞。樁間土和樁體同時發生破壞在實際工程中是很少見的。大多數工程實踐都是第一種破壞模式[10]。

水泥土攪拌樁復合地基是一種柔性樁復合地基，它的破壞模式是由樁體先破壞從而引起復合地基全面破壞，因此可以采用柔性樁復合地基極限承載力的面積比公式：

pcf=mpp/Ap+λ(1-m)Rs

(1)

其中，λ為樁間土折減系數；Rs為樁間土極限承載力；m為復合地基面積置換率；pp為樁體的極限承載力；Ap為樁間土的極限承載力。

2.2 攪拌樁極限承載力

水泥攪拌樁是一種柔性樁，它的極限承載力可以通過比較按以下兩種情況確定：

1)按土的承載力計算：

pp=sp∑fili+αApqp

(2)

2)按樁身水泥土的強度計算：

pp=ηfcuAp

(3)

式(2)，式(3)，兩者比較取最小值。其中，qp為樁端天然地基土的容許承載力；fi為樁周土的極限摩阻力；li為樁身穿過i土層的長度；sp為樁的周長；Ap為樁端的截面積；α為樁端天然地基土的承載力折減系數，可取0.4～0.6，承載力高時取低值；η為樁身強度折減系數，取0.25～0.33；fcu為與樁身水泥土配比相同的室內水泥土試塊的抗壓強度平均值。

2.3 樁間土極限承載力

對于復合地基樁間土極限承載力Rs的計算，通常按天然地基的Hansen公式計算[11]， Hansen公式可以表示為如下形式：

Rs=cNc+rDNq+0.5rBNr

(4)

其中，Nc,Nq,Nr均為承載力系數，摩擦角φ的函數；B為基礎寬度；D為基礎埋深；c為地基土的粘聚力；r為地基土的密度。

2.4 復合地基的極限狀態方程

Z=R-SG-SQ=0

(5)

其中，R為結構抗力；SG為恒載；SQ為各種活載的荷載效應組合。

3 結語

在計算水泥攪拌樁復合地基承載力可靠度時，主要有三類不確定性因素：計算模型的不確定性、土性參數與樁材性能的不確定性、幾何參數的不確定性。

1)復合地基承載力可靠度研究發現，樁間土的承載力折減系數λ對置換率影響較大，設計時應謹慎選取。復合地基承載力的可靠度概率分析中，主要影響因子來自r,φ的變異性，而受r的變異影響很小，為了簡化計算，可以按常值處理。

2)由于計算模型的不確定性，采用面積比公式進行復合地基承載力計算時，可以引入模型的不確定性因子I，即：

pcf=I[mpp/Ap+λ(1-m)Rs]

(6)

3)靜載試驗是確定復合地基承載力最準確的方法。利用較多的復合地基靜載試驗數據，可以直接對復合地基承載力進行概率統計。若復合地基靜載試驗數量少，則可以根據靜載試驗結果用Bayes更新的方法得到更為可靠的概率特性。

[1] Casagrande A.Role of calculated risk in earthwork and foundation engineering.ASCE[J].Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering,1965,91(6):1-40.

[2] Kitazume M.Centrifuge model on failure envelope of column type deep mixing method improved ground[J].Soils and Foundations,2000,40(1):43-55.

[3] 陳曉平.復合樁基承載力可靠度研究[D].武漢:武漢水利電力大學博士學位論文，1998.

[4] 何 軍,趙 彤.深層攪拌樁復合地基承載力的可靠度研究[J].巖土力學,2000,21(4):401-403.

[5] 肖 溟,龔曉南,黃廣龍.深層攪拌樁復合地基承載力的可靠度分析[J].浙江大學學報，2000,34(6):351-354.

[6] 洪昌華,龔曉南.深層攪拌樁復合地基承載力的概率分析[J].巖土工程學報，2000,22(3):279-283.

[7] 張 銦,朱 峰.復合地基承載力的模糊可靠度分析[J].武漢理工大學學報,2003,25(11):40-43.

[8] 丁繼輝,徐成杰,袁 滿.剛柔組合樁復合地基承載力可靠度分析[J].地下空間與工程學報,2007,3(7):1314-1318.

[9] 徐志軍,鄭俊杰,趙冬安.樁式復合地基承載力的隨機模糊熵可靠度分析[J].華中科技大學學報,2010,38(9):104-107.

[10] 龔曉南.復合地基[M].杭州:浙江大學出版社,1992.

[11] 《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1998：410-428.

Research survey on composite foundation loading capacity reliability of cement mixing pile

WU Quan-wei

(ShanghaiUniversityofTechnology,Shanghai200093,China)

The paper analyzes the research on the composite foundation loading capacity reliability of cement mixing pile by researchers recently, indicates its research status, the establishment of the limit state equation, probability analysis of random variable, calculation of reliability and design methods, and sums up the research results, so the future is also indicated.

mixing pile, composite foundation, loading capacity, reliability

1009-6825(2014)34-0068-02

2014-09-23

吳全偉(1987- )，男，在讀碩士

TU473.11

A