考慮鼓脹變形的散體材料樁復合地基沉降計算

張玲+趙明華

摘 要：針對豎向荷載作用下靠近樁頂一定深度的范圍內，樁體不僅會發生豎向壓縮變形且會發生側向鼓脹變形特性，基于荷載傳遞法，導出了豎向荷載作用下散體材料樁復合地基中的某根單樁的樁身壓縮量計算公式，進而得到新的散體材料樁復合地基沉降計算公式.分析時，視散體材料樁為彈性均質體，根據廣義胡克定律得到其應力應變關系；樁周土提供的側向約束力為樁側豎向力引起的側向土壓力，并考慮加筋墊層的側向約束作用及其沿深度的傳遞對樁體側向約束的有利影響.為驗證本文方法的可行性，對某一工程實例進行分析，且與其它方法進行比較分析.結果表明：與常規計算方法相比，本文方法從荷載傳遞規律出發，可考慮鼓脹深度隨樁頂豎向荷載的增加逐漸向深處發展的特點，更符合散體材料樁復合地基的實際受力變形狀況.

關鍵詞：復合地基；散體材料樁；沉降；荷載傳遞；鼓脹變形

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）05-0120-05

Abstract：The granular material pile has its own deformation characteristics under vertical loads. The granular material pile shows not only a vertical compressive deformation but also a radial expansion near the top of the pile. According to the study of this load transfer mechanism， a new equation was developed to calculate the compressive deformation of a single granular material pile. On the basis of this investigation way， a new method to predict the settlement of the composite foundation reinforced by granular material piles such as stone columns was developed. In the analysis model， the granular pile was treated as an elastic material satisfying Hooke's law， and the lateral confining support provided by the surrounding soil was assumed as lateral soil pressure. Further， the beneficial influence of the lateral restraint of the reinforced cushion as well as its development within depth on restricting the lateral bulging of the granular pile was taken into account. Finally， a case study was performed to validate the proposed method. The foundation settlements predicted by the proposed model were close to those of existing calculation methods. The prediction results indicate that the proposed method based on the load transfer mechanism is more practical because the proposed method can consider the variation law that the depth of lateral deformation of the pile increases with the increase of the vertical load acting on the top of the pile.

Key words：composite foundation；granular material pile；settlement；load transfer；lateral bulging

以碎石樁為代表的散體材料樁及其與樁間土形成的復合地基已廣泛地應用于地基加固工程.沉降計算是該復合地基設計理論的重要組成部分.尤其是復合地基按沉降控制設計時，沉降計算更為重要.有關散體材料樁復合地基的沉降計算國內外學者提出了理論或經驗計算公式.其中較為常用的方法是采用復合模量法計算加固區的壓縮量，再采用分層總和法計算下臥層的壓縮量，進而得到整個復合地基的沉降量[1-3].該方法的假定之一是豎向荷載作用下樁與樁間土之間無側向擠壓作用，各自都不發生側向變形[4].

然而，當樁體材料及樁周土條件不變時，樁體鼓脹變形應隨樁頂豎向荷載的增加而逐漸向深處發展.故本文從散體材料樁的荷載傳遞機理出發，考慮鼓脹變形隨荷載變化，提出一種計算散體材料樁樁身壓縮量的新方法，進而獲得散體材料樁復合地基的沉降量.

1 復合地基沉降計算新方法

1.1 樁、土受力變形分析

取散體材料樁復合地基中的某根單樁進行分析，樁頂作用荷載qp，樁間土作用荷載qs，qs=qp/n，其中n為樁土應力比.對于散體材料樁復合地基，在無測試資料時，對黏性土可取2～4，粉土和砂土n可取1.5～3.0.原地基土強度低者取大值，反之取小值[6].若復合地基上作用荷載為q，則qp=n1+（n-1）mq，m為復合地基置換率.為便于分析，沿樁長將樁劃分為N段（圖1）.并取其中第i段進行分析（圖2）.

由前述推導可知，本文方法計算散體材料樁復合地基沉降時，樁土應力比需作為一已知參數，然而準確確定樁土應力比非常困難，盛崇文建議[2]對于該工程當設計荷載小于60 kPa時樁土應力比取3～5；大于60 kPa時取2～4.當沉降計算荷載為60 kPa時，已有文獻[2，7-8]中樁土應力取值有兩種情況n=3[7-8]和n=4[2]，為便于與其它文獻計算結果對比分析，故本文方法計算沉降時，計算荷載亦取60 kPa，而樁土應力比取n=3和n=4分別加以計算.

本文方法計算時取樁土應力比n=3，經計算得整個樁身壓縮量sp=28.9 mm，其中鼓脹段的壓縮量為7.4 mm，非鼓脹段的壓縮量為21.5 mm；鼓脹深度hb=0.9 m；下臥層壓縮量ss=12.0mm；故整個碎石樁復合地基的沉降量為s=40.9 mm.若取n=4，得hb=1.6m；sp=40.2 mm；ss=12.0 mm；s=52.2 mm.

與其它方法計算結果的比較見表2.其中，盛崇文[2]是采用復合模量法計算加固區的壓縮量，復合模量按式Esp=[1+（n-1）m]Es計算；鄧修甫等[7]是將碎石樁簡化成等體積墻體，再根據碎石樁與樁間土的變形協調作用分鼓脹段與非鼓脹段兩部分計算加固區的壓縮量；基于鄧修甫等的計算方法，孫林娜等[8]將基樁與樁間土的相互作用視為空間問題來計算復合地基加固區的壓縮量；各方法下臥層的壓縮量均采用分層總和法得到.

由表2可見，采用復合模量法計算樁身壓縮量較其它方法的計算結果偏大；鄧修甫等方法[7]將復合地基沉降計算簡化成平面問題，強化了樁體作用，所得的復合地基沉降量偏?。粚O林娜等方法[8]計算復合地基沉降時，碎石樁的鼓脹深度為樁體極限受荷狀態下的鼓脹變形深度，其中鼓脹段壓縮量較本文方法（n=3）偏大，非鼓脹段壓縮量因非鼓脹段長度減小而較本文方法（n=3）偏??；且孫林娜等方法[8]因夸大了實際工作荷載作用下側向鼓脹變形對復合地基沉降的影響，使得整個樁身壓縮量較本文方法偏大.而本文方法采用靜止土壓力計算樁周土提供的側向約束力偏小，變形量略為偏大，但可反映碎石樁鼓脹變形隨荷載發展變化的實際情況.

3 結 論

1） 基于樁體受荷發生豎向壓縮變形及側向鼓脹變形的特性，提出一新的散體材料樁復合地基加固區壓縮量計算公式，進而可得整個復合地基的沉降量.

2） 與常規計算方法相比，本文方法從荷載傳遞規律出發，更符合散體材料樁復合地基的實際受力變形狀況.

3） 利用本文方法對某一具體工程實例進行了計算，經與其它方法及實測值的比較分析，本文所得結果具有其合理性.

4） 本文方法計算散體材料樁復合地基沉降時，樁土應力比需是已知參數，而樁土應力比對復合地基沉降有一定程度影響，實際設計中如何正確合理的選取散體材料樁復合地基樁土應力比仍有待進一步的深入研究.

參考文獻

[1] 龔曉南.復合地基理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2002：150-169.

[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（l）：72-80.

[3] 曹文貴， 唐旖旎， 王江營. 基于孔隙介質模型的散體材料樁復合地基沉降分層總和分析方法[J]. 湖南大學學報：自然科學版， 2014，41（11）：87-95.

[4] 張定. 碎石樁復合地基的作用機理分析及沉降計算[J]. 巖土力學， 1999， 20（2）：81-86.

[5] 張定. 散體材料樁復合地基的沉降分析與計算[J]. 鐵道學報，1998，20（6）：98-104.

[6] 龔曉南.復合地基設計和施工指南[M].北京：人民交通出版社，2003：109-110.

[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] B.A.弗洛林.土力學原理（第一卷）[M] 徐志英，譯. 北京：中國建筑工業出版社， 1973：87-88.

[10]饒為國. 樁-網復合地基原理及實踐[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2004：30-50.