Priebe法在近岸工程振沖碎石樁復合地基沉降量計算中的研究

溫鉑洋 WEN Bo-yang；上官子昌 SHANGGUAN Zi-chang；張晶 ZHANG Jing；彭海婷 PENG Hai-ting

（大連海洋大學海洋與土木工程學院，大連 116023）

（School of Marine and Civil Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

0 引言

隨著振沖技術的廣泛應用與發展，開創了在近岸工程中采用振沖技術處理松軟地基的實際工程運用。目前，對于地基沉降的計算主要通過現場觀測和室內土工試驗，建立模型來預測地基沉降規律，計算方法也日趨成熟。但在近岸工程中，與理想路基不同，由于施工海域遠離陸地，又常受到海浪、流及潮汐等自然條件的影響，加以其軟土地基深入海底，施工條件惡劣、難度大，使其觀測結果不易檢測；而室內土工試驗模擬較為復雜，試驗結果難以應用到實際工程當中。

地基沉降是人們關心的問題之一，但振沖碎石樁復合地基沉降量的計算理論尚未成熟，在近岸工程中，計算值往往遠小于最終沉降量實測值，每層土體特性差異較明顯。本文以Priebe法為基礎，通過前人對此方法的研究，提出自己的看法，建立計算模型，并運用到近岸工程振沖碎石樁復合地基沉降量計算中，結合近岸工程實例，將計算結果與工程實測值和傳統計算方法進行對比，從而驗證該方法的可行性，并為近岸工程的沉降預測提供依據。

1 傳統碎石樁復合地基的沉降量計算方法[1]

地基中土的受力情況和變形特性是影響地基沉降大小的主要因素。對于碎石樁復合地基而言，其沉降大小要同時考慮復合土層和下臥層的受力情況和變形特性。因此，復合地基的總沉降量SF分別是由復合地基土層的沉降Ssp和下臥土層的沉降Sx兩者之和，即SF=Ssp+Sx。

1.1 復合土層沉降計算

①復合模量法。復合土層是指沉降具有等效復合壓縮模量Esp的土，而復合模量法是將復合地基加固區的碎石樁和樁間土復合成同一土體。復合土層沉降大小Ssp通過分層總和法計算，即

式中：nsp——復合土層的分層數；

Δσi——第i層附和應力的平均增量；

hi——第i層土的厚度；

Espi——第i層土的復合壓縮模量。

其中：復合壓縮模量Esp是由樁和樁間土變形協調及復合土層沉降等效實際樁、土復合體的沉降關系決定的，即

式中：Esp、Es——分別為樁及樁間土的壓縮模量；

m——置換率；

n——樁土的應力比。

②應力修正法。由于復合土層上的荷載由碎石樁和樁間土共同承擔，且碎石樁的剛度遠大于樁間土，故樁間土承擔載荷大大減小，主要由樁承擔。應力修正法是通過土的壓縮模量，不考慮碎石樁的存在，計算復合土層沉降Ssp，即

式中：μs——應力修正系數，即應力分散系數。

復合模量法是按復合土層提高了的復合壓縮模量計算其沉降量，而應力修正法基于作用于樁間土上減小了的荷載應力計算樁間土的沉降量。雖然兩種算法考慮角度不同，但所得結果一致。

③樁身壓縮量法。樁身壓縮量法是假定復合土層中的碎石樁在荷載作用下不考慮樁側摩阻力的分布形態和刺入變形，通過樁體所分擔的荷載和其壓縮模量，按材料力學計算壓縮桿件變形的方法求樁的壓縮量。當樁側摩阻力均勻分布時，樁的壓縮量等同于復合土層的沉降量Ssp，其中樁頂荷載pp與樁的壓縮量Sp的計算式如下：

式中：pe——樁端應力；

Sp——碎石樁的壓縮量；

l——樁長，其他符號意義同前。

1.2 復合地基下臥層沉降計算 復合地基的下臥層是指復合土層下未加固的土層。由于土層沒有進行加固處理，且工程特性沒有改變，因此下臥層應力分布變化取決于復合土層的工程性能改善，故先計算適當的下臥層的應力分布，才能通過分層總和法計算其沉降Sx。

本文介紹的Priebe法是假設復合地基樁體已達到硬土層，不考慮復合地基下臥層沉降，因此關于下臥層沉降計算不做過多介紹。

2 Priebe法及其方法改進

2.1 Priebe方法[2-3]Priebe（普里伯，1976）提出一個基于半無限彈性體中圓柱孔橫向變形理論，用于計算在垂直荷載作用下，碎石樁復合地基所產生的最終沉降的方法。其中假設：①地基土為各向同性；②基礎為剛性；③樁體長度已達有支承能力的硬土層等。在這些假設條件下，Priebe推導出一個沉降折減系數β的表達式如下：

式中：m——面積置換率，Ac/A；

μ——地基土泊松比。

地基用振沖置換樁加固情況下的最終沉降量與不加固情況下的最終沉降量之比叫做沉降折減系數。于是，復合地基的最終沉降量Ssp

式中：Ss——不加固情況下的地基最終沉降量。

將沉降折減系數β化簡為

式中：n——樁土應力比。

2.2 Priebe法的改進[4]對Priebe法在沉降量計算中不合理假設進行改進，即樁體不可壓縮與忽略樁體和樁間土的容重。碎石樁主要由碎石組成，在垂直荷載作用下，樁體必然產生壓縮；而對于樁體和樁間土的容重來說，直接影響到地基沉降大小，因此不能忽略不計。

樁體壓縮直接影響樁體與樁間土的置換率，從而影響沉降折減系數；考慮容重的情況下，樁間土對樁體的橫向束縛隨著樁體深度增加而增大，使得地基沉降量減小。

置換率的變化由樁體和樁間土的變形模量決定，這里直接引入公式

式中：Kac——主動壓力系數，tan2(45°-)；

n1——樁體與樁間土壓縮模量比，Dc/Ds。

考慮容重對沉降量影響，我們引入深度系數fd，并且隨著深度增加，樁體與樁間土之間的作用越小，樁間土橫向變形越小，因此我們引入公式

式中：Koc——靜止土壓力系數，1-sinφc；

Ws——樁間土容重，∑(γs·Δd)；

Wc——樁體容重，∑(γc·Δd)。

根據上述改進，可推到出最后的沉降折減系數，其最終表達式如下

其中置換率的變化值

3 工程實例

3.1 工程概況[5]山東省某漁港工程位于山東半島東南端石島灣內，項目建設漁業及綜合碼頭465m，其中396m碼頭工程地質為軟弱土層。該漁港碼頭長度1220.58m，水域面積36萬m2，碼頭前沿高程+40m，前沿墻底高程-60m，碼頭采用重力式混凝土方塊結構，軟基處理采用海上振沖碎石樁復合地基，此次建設是在原有基礎上進行擴建。

3.2 沉降計算[6]本文采用該漁港工程漁業碼頭試驗段沉降數據進行計算。相關參數如表1。

表1 主要土層參數

根據本文介紹的傳統算法和Priebe法計算該試驗段沉降量，其中粉細砂②和粉質粘土③的濕密度為2.0g/cm3和 1.9g/cm3，內摩擦角為 30°和 9°，計算結果見表 2。

工程計算中斷面的最大沉降量為15.20cm，在試驗段碼頭加載20kPa并經過連續三個月的觀測，其碼頭前端累計沉降量為40cm。從計算結果看出，計算值遠遠小于實際值。

表2 計算結果

4 總結

從計算結果看出，Priebe法比傳統計算方法更接近實測值，大大減小了計算誤差，但結果仍與實測值有較大差距，因此該計算方法還需要通過更多試驗和工程實踐進一步驗證和改進。本文為近岸振沖碎石樁復合地基沉降量計算提供了另一個較好的方法，由于近岸工程影響因素過多，該方法有待于進一步研究。

[1]何廣訥.振沖碎石樁復合地基[M].北京:人民交通出版社,2001.

[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):72-75.

[3]Heinz J.Priebe.The Design ofVibro Replacement.GROUNDENGINEERING,1995.

[4]黃小軍.振沖碎石樁復合地基承載力與沉降量計算研究[D].吉林大學,2007:58-65.

[5]陳自榮,劉年飛,張建僑.振沖碎石樁在山東石島中心漁港工程中的應用[J].水運工程,2010(9):124-127.

[6]孫龍,劉年飛.漁港碼頭工程水下振沖碎石樁復合地基應用研究[J].漁業現代化,2010,38(4):54-56.