路堤荷載作用下剛性樁復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀

李慧

(唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,河北唐山 063000)

路堤荷載作用下剛性樁復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀

李慧

(唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,河北唐山 063000)

詳細(xì)描述了復(fù)合地基概念及各種復(fù)合地基的不同,指出對(duì)路堤柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基的受力性狀和沉降特性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

復(fù)合地基;剛性基礎(chǔ);柔性基礎(chǔ);加筋墊層

0 引言

復(fù)合地基的概念最早是在20世紀(jì)60年代提出來(lái)的,復(fù)合地基是指天然地基在地基處理過(guò)程中部分土體得到增強(qiáng),或被置換,或在天然地基中設(shè)置加筋材料,加固區(qū)是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強(qiáng)體兩部分組成的人工地基［1］。隨著我國(guó)地基處理理論與實(shí)踐的不斷發(fā)展,復(fù)合地基技術(shù)在建筑、交通、水利、港航等部門得到了應(yīng)用,取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

在建筑工程中,墻下無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)和擴(kuò)展基礎(chǔ)在延伸方向上有非常大的剛度,受荷后幾乎不發(fā)生彎曲變形和開(kāi)裂,稱之為剛性基礎(chǔ);柱下鋼筋混凝土基礎(chǔ)在橫向和縱向上都會(huì)發(fā)生彎曲變形,稱之為柔性基礎(chǔ)。在路堤、堤壩工程中,路堤為碾壓密實(shí)填土,即發(fā)生長(zhǎng)度方向變形,又發(fā)生寬度方向的變形,也稱之為柔性基礎(chǔ)。為了區(qū)別起見(jiàn),我們把前者叫作建筑柔性基礎(chǔ),后者叫作路堤柔性基礎(chǔ);在建筑工程中,復(fù)合地基承擔(dān)的上部荷載通常通過(guò)鋼筋混凝土基礎(chǔ)傳遞,稱之為建筑柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基,而在路堤、堤壩等工程中,復(fù)合地基承擔(dān)的荷載是由碾壓密實(shí)填土傳遞,稱之為路堤柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基,見(jiàn)圖1。

復(fù)合地基中增強(qiáng)體方向不同,復(fù)合地基的性狀不同。豎向增強(qiáng)體習(xí)慣上稱為樁,樁體復(fù)合地基中,樁體是由散體材料組成,還是由粘結(jié)材料組成,以及粘結(jié)材料樁的剛度大小,都將影響復(fù)合地基荷載傳遞性狀。

復(fù)合地基中增強(qiáng)體方向不同,復(fù)合地基的性狀不同。豎向增強(qiáng)體習(xí)慣上稱為樁,樁體復(fù)合地基中,樁體是由散體材料組成,還是由粘結(jié)材料組成,以及粘結(jié)材料樁的剛度大小,都將影響復(fù)合地基荷載傳遞性狀。

樁體按不同的標(biāo)準(zhǔn)分類:

剛性樁復(fù)合地基主要是指樁體剛度相對(duì)于地基剛度較大的一類。關(guān)于樁體相對(duì)剛度,1991年王啟銅建議按式(1)計(jì)算:

p

其中,E——樁體的彈性模量,

Gs——樁間土的剪切模量;

1

其中,L——樁體長(zhǎng)度,

r——樁體半徑。

1993年段繼偉對(duì)樁土相對(duì)剛度表達(dá)式(1)作了修正,并引進(jìn)了有效樁長(zhǎng)的影響,建議樁土相對(duì)剛度采用式(2)表達(dá):

式中:

μs——樁間土泊松比;

圖1 復(fù)合基地

l—當(dāng)樁長(zhǎng)小于有效樁長(zhǎng)時(shí),l為實(shí)際樁長(zhǎng),當(dāng)樁長(zhǎng)大于有效樁長(zhǎng)時(shí),l為有效樁長(zhǎng)。段繼偉根據(jù)樁土相對(duì)剛度K與樁的沉降關(guān)系研究,建議柔性樁和剛性樁的判別準(zhǔn)則為: K＜1.0,柔性樁; K＞1.0,剛性樁。

目前在土木工程中已廣泛應(yīng)用對(duì)各類樁體復(fù)合地基主要有:(1)碎石樁復(fù)合地基;(2)砂樁復(fù)合地基;(3)水泥攪拌樁復(fù)合地基;(4)灰土樁復(fù)合地基及二灰土樁復(fù)合地基;(5)石灰樁復(fù)合地基;(6)鋼筋混凝土樁復(fù)合地基;(7)低強(qiáng)度混凝土樁復(fù)合地基,包括水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)、低強(qiáng)度砂石混凝土樁以及二灰混凝土樁等。其中鋼筋混凝土樁復(fù)合地基以及低強(qiáng)度混凝土樁復(fù)合地基屬于剛性樁復(fù)合地基。

隨著復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)用于路堤工程中,在荷載作用下,增強(qiáng)體和地基土體是否共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載是復(fù)合地基的本質(zhì)。然而在研究荷載傳遞過(guò)程中碰到以下問(wèn)題:復(fù)合地基承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)為由剛度相對(duì)較小的填土等散體材料組成的路堤或堤壩來(lái)傳遞的,作為基礎(chǔ)來(lái)說(shuō),路堤或堤壩并不像建筑柔性基礎(chǔ)一樣,其下復(fù)合地基中的應(yīng)力比較集中,由于路堤柔性基礎(chǔ)由散體材料組成,在下部荷載受力變形時(shí),基礎(chǔ)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形。建筑柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基和路堤柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基的傳力特性有很大區(qū)別。

1 路堤荷載下剛性樁復(fù)合地基的組成

路堤荷載作用下樁復(fù)合地基見(jiàn)圖2。

(1)路堤填土,既是傳遞路面與車輛荷載的基礎(chǔ),又因?yàn)楸旧砗穸?、自重大而形成路堤底部的作用荷載;

(2)加筋墊層,既增大樁土荷載分擔(dān)比又增加地基承載力、減少?gòu)?fù)合地基的不均勻沉降;

圖2 路堤荷載作用下樁復(fù)合地基

(3)下部為樁增強(qiáng)體復(fù)合地基。

2 土工合成材料加筋土的加固機(jī)理

在水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基中,土工合成材料的主要功能是加筋作用。復(fù)合地基中的土工合成材料主要處于受拉狀態(tài),抗拉拔力的土工合成材料與地基土組成復(fù)合土體。

復(fù)合土體在荷載作用下,土工合成材料產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,同時(shí)對(duì)土體產(chǎn)生一個(gè)類似于側(cè)向約束壓力作用,這一作用使復(fù)合土體具有較高的抗剪強(qiáng)度,由于土工合成材料加筋體側(cè)向約束作用,復(fù)合土體的變形模量也得以提高。宏觀的講,在荷載的作用下,水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基將產(chǎn)生沖切破壞時(shí),水平向鋪設(shè)的土工合成材料將阻止破壞的出現(xiàn),從而提高復(fù)合地基的承載力。當(dāng)?shù)鼗诤奢d作用下發(fā)生較大變形時(shí),地基中鋪設(shè)的土工合成材料的拉應(yīng)力和土工合成材料與土體界面之間的摩擦力增大,增加對(duì)土體側(cè)向變形的限制,增加地基穩(wěn)定性,減小地基的豎向變形。也由于土工合成材料中拉應(yīng)力的存在使得土體的不均勻沉降減小和緩解了地基的應(yīng)力集中。

3 路堤荷載作用下剛性樁復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于路堤柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基開(kāi)展的研究還不多,對(duì)于其荷載傳遞規(guī)律、附加應(yīng)力分布形式、承載力確定的方法、沉降計(jì)算方法、破壞模式等方面都還沒(méi)有確定的結(jié)論。相對(duì)而言,國(guó)內(nèi)的研究成果多于國(guó)外。

Ekstorm［2］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明了路堤柔性基礎(chǔ)下樁頂位移與樁間土位移并不相等。

Alamgir［3］等選擇適當(dāng)?shù)淖冃文Ｊ?提出了“單位元”的概念,獲得了路堤柔性基礎(chǔ)下端承樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算解析式,但他是將路堤視為理想柔性基礎(chǔ),認(rèn)為加固區(qū)表面處于自由應(yīng)變狀態(tài),樁和樁間土承受相同的壓力。

4 加筋墊層的研究現(xiàn)狀

朱亞英 (1997)［4］應(yīng)用加筋墊層處理大面積軟基,通過(guò)土工織物加筋墊層的應(yīng)力擴(kuò)散后,有效調(diào)整了沉降差,地基穩(wěn)定性得到提高,并提出土工織物加筋墊層的厚度越大,則擴(kuò)散應(yīng)力和調(diào)整沉降的功能越好,地基的穩(wěn)定性就越強(qiáng)。

魏新江(1998)［5］結(jié)合大型油罐工程,提出一種理論解配合參數(shù)調(diào)整的近似分析方法,對(duì)土工織物墊層處理油罐地基的變形特性進(jìn)行理論分析,探討其對(duì)油罐的影響,并分析土工織物加筋墊層的變形和應(yīng)力,可供設(shè)計(jì)應(yīng)用,具有一定實(shí)用價(jià)值。

張小明(1998)等對(duì)碎石樁、毛砂墊層、加筋砂石墊層三個(gè)方案對(duì)比,通過(guò)對(duì)地基加固的技術(shù)理論、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境因素及施工工期綜合考慮,采用加筋砂石墊層。施工監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)加筋砂石墊層具有較高的應(yīng)力擴(kuò)散作用、側(cè)限作用及調(diào)整應(yīng)力分布的能力,可明顯減小地基的沉降變形,充分發(fā)揮原狀土的承載力。

5 樁承土工織物加筋復(fù)合地基

近幾年,在國(guó)內(nèi)外慢慢地興起了一種許多大樁距樁式復(fù)合地基和土工織物或土工格柵聯(lián)合處理方式進(jìn)行地基處理,即樁承土工合成材料加筋墊層法(Geosynthetic-Reinforced and Pile-Supported Earth Platform,簡(jiǎn)稱GRPS ),這種方法己經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋頭的接合部解決橋頭跳車、高填土擋墻的基礎(chǔ)、道路的拓寬、大型油罐基礎(chǔ)、軟土鐵路路基以及許多堤防工程等,并且收到了較好的效果。GRPS是在對(duì)軟土地基進(jìn)行加固的樁頂上鋪設(shè)一加筋墊層,加筋墊層是在傳統(tǒng)的砂或碎石墊層中加鋪一層或多層土工合成材料(如土工布、土工織物、土工格柵等)而形成,這樣可以使路堤填土荷載更均勻地作用于樁頂及樁間土上,減小路基的不均勻沉降,保證路基的穩(wěn)定性。這里所謂“樁”既包括傳統(tǒng)的混凝土樁、木樁,也包括專門用于軟土地基加固的碎石樁、灌注樁、攪拌樁等。

當(dāng)前復(fù)合地基的理論與應(yīng)用研究備受各界關(guān)注,當(dāng)僅采用土工合成材料或者樁基進(jìn)行軟基加固都只是形成單一型的復(fù)合地基,即水平向增強(qiáng)體型或豎直向增強(qiáng)體型復(fù)合地基。由于實(shí)際工程地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性,加上其它技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素的制約,只采用其中一種型式往往難以滿足工程要求,在這種情況下,采用樁承土工合成材料加筋墊層復(fù)合地基型式,即“水平向增強(qiáng)體型+豎直向增強(qiáng)體型”的聯(lián)合復(fù)合地基型式,博采兩種單一型之長(zhǎng),加筋墊層是水平向增強(qiáng)體而群樁則是豎直向增強(qiáng)體,可以取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。這種復(fù)合地基的設(shè)計(jì)思想是:由于加筋墊層的存在,承受路基的側(cè)向推力,墊層中土工合成材料的加入形成了一個(gè)具有一定剛度的墊層增加了由土到樁的荷載傳遞,同時(shí)減少了樁間土的不均勻沉降,因此可布置成疏樁,用樁數(shù)量大為減少,樁帽的尺寸也可以減小,同時(shí),不必要在外緣設(shè)置斜樁,進(jìn)而降低工程建設(shè)成本,加快工程建設(shè)進(jìn)度,提高經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外都曾有過(guò)成功應(yīng)用這種復(fù)合地基型式的工程實(shí)例,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上研究和分析表明,建筑柔性基礎(chǔ)和路堤柔性基礎(chǔ)的剛度有著很大的差異,兩類基礎(chǔ)下復(fù)合地基中的承載能力和沉降特性也有著很大的區(qū)別,現(xiàn)有的復(fù)合地基理論是針對(duì)建筑柔性基礎(chǔ)下的復(fù)合地基提出來(lái)的,將其應(yīng)用于路堤柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基時(shí)，往往與實(shí)際性狀有很大的差異,所以對(duì)路堤柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基的受力性狀和沉降特性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］ Ekstrom J C，Bemtsson J A，Sallfors G B.Test fills of clays stabilized with cement columns［A］. Proc. XIII ICSMFE［C］. New Delhi: 1994，1183-1186.

［3］ M. Alamgir，N. Miura，H. B. Proorooshasb and M. R. Madhav［J］. Deformation analysis of soft ground reinforced by columnar inclusion，Computers and Geotechnics，1996，18(4):267-289.

［4］ 朱亞英.土工織物加筋墊層處理大面積建筑軟基實(shí)踐［J］.土工基礎(chǔ)，1997，11(3):52-55.

［5］ 魏新江.土工織物加筋墊層處理有關(guān)軟基的雙參數(shù)分析［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，1998，15(2):136-139.

U416.1

A

1009-7716(2015)03-0020-03

2014-10-21

李慧(1984-),女,河北唐山人,工程師,從事交通勘察設(shè)計(jì)工作。