筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的計算與分析

張玲+陳哲+趙明華

摘 要：針對筋箍碎石樁復(fù)合地基的受力變形特點，考慮樁土的初始應(yīng)力狀態(tài)，假定樁為具有恒定剪脹角的彈塑性體，且滿足摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動法則，土體和加筋體為線彈性材料，考慮樁筋材土三者間相互作用，導(dǎo)得了筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算新公式.為驗證本文計算公式的可行性，將本文方法計算結(jié)果與彈塑性極限分析方法結(jié)果進(jìn)行對比分析，兩者吻合良好.在此基礎(chǔ)上，分析探討了筋材剛度、樁周土變形模量、面積置換率等因素對筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響.分析結(jié)果表明：筋材剛度是樁土應(yīng)力比的主要影響因素，樁土應(yīng)力比隨筋材剛度、面積置換率、樁體內(nèi)摩擦角的增大而增大，隨著樁周土變形模量和樁體剪脹角的增大而減小.

關(guān)鍵詞：筋箍碎石樁；彈塑性；樁土應(yīng)力比

中圖分類號：U416.1；TU 473.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近十年來，復(fù)合地基技術(shù)因其能發(fā)揮樁土共同承擔(dān)荷載的優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于公路工程實踐.碎石樁復(fù)合地基是最早出現(xiàn)的復(fù)合地基形式之一，因其取材方便、施工簡單、造價低廉，且具有良好的振密擠密、置換、排水固結(jié)等加固作用而在軟基加固處理中廣泛應(yīng)用.但由于碎石樁自身沒有膠結(jié)強(qiáng)度，需要樁周土提供側(cè)向約束力才能形成樁體.豎向荷載作用下，當(dāng)樁周土體強(qiáng)度較低而不能提供足夠的側(cè)向約束力時，碎石樁極易發(fā)生側(cè)向鼓脹而導(dǎo)致整個復(fù)合地基失效.為限制碎石樁在樁頂附近的側(cè)向變形，提高碎石樁的承載力，有效控制復(fù)合地基沉降，近年來工程實踐中不斷出現(xiàn)在傳統(tǒng)碎石樁樁頂一定深度范圍內(nèi)或沿樁長設(shè)置一土工格柵套筒形成新型的加筋碎石樁復(fù)合地基加固技術(shù)，本文稱之為“筋箍碎石樁復(fù)合地基技術(shù)”.

在這一處治技術(shù)中，由于土工格柵等土工加筋材料具有一定的抗拉強(qiáng)度，在碎石樁外包裹一層土工格柵套筒，其作用類似于鋼筋混凝土中的箍筋約束作用，通過土工加筋材料的環(huán)箍約束作用，可增加碎石樁的樁身剛度，有效控制樁體鼓脹變形，提高地基承載力和減少沉降.因此，筋箍碎石樁復(fù)合地基處治技術(shù)自1985年被Van Impe[1]提出以來就不斷受到工程界的重視，而且國內(nèi)外已有學(xué)者針對筋箍碎石樁復(fù)合地基的承載加固機(jī)理開展了一些試驗研究與理論分析.高明軍等[2]結(jié)合工程現(xiàn)場靜載試驗，探討分析了筋箍碎石樁復(fù)合地基的優(yōu)越性，并介紹了土工格柵筋箍碎石樁的施工工藝、作用機(jī)理以及檢測方法.Murugesan等[3]，Lo等[4]，Chunsik[5]，Khabbazian等[6-7]，Malarvizhi等[8]通過數(shù)值分析，探討分析了土工加筋體的環(huán)箍效應(yīng)對碎石樁側(cè)向變形的限制作用及碎石樁承載力的提高作用.趙明華等[9]通過室內(nèi)模型試驗，對比分析了筋箍碎石樁和傳統(tǒng)碎石樁的承載變形特性，進(jìn)而探討了筋箍碎石樁的加筋機(jī)理和鼓脹變形模式；Raithel[10]和Pulko[11]等通過建立筋箍碎石樁荷載傳遞模型，得到筋箍碎石樁的變形及沉降；趙明華等[12]，陳昌富等[13]在各自假定的基礎(chǔ)上，提出了筋箍碎石樁單樁極限承載力計算公式.但總的來說，筋箍碎石樁復(fù)合地基相關(guān)的理論研究尚處于初級階段.

樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基設(shè)計中的重要參數(shù)之一，是反映復(fù)合地基工作性狀和承載變形計算的重要參數(shù)指標(biāo).影響筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的因素很多（包括荷載水平、樁土模量比、樁土面積置換率、原地基土強(qiáng)度、碎石樁強(qiáng)度、土工材料加筋體強(qiáng)度、時間等等），但迄今為止，相關(guān)研究還鮮有文獻(xiàn)報道.目前，關(guān)于碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比，已有不少學(xué)者作了一些研究.如張定[14]從研究散體材料樁復(fù)合地基樁土相互作用機(jī)理出發(fā)，提出了樁土應(yīng)力比解析算法；劉杰等[15]在考慮樁體變形協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，通過引入雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論推導(dǎo)出樁土應(yīng)力比計算式；趙明等[16]通過引入魏西克圓孔擴(kuò)張理論與py曲線法導(dǎo)得碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算式；郭蔚東等[17]利用Rowe剪脹理論得到了考慮樁土應(yīng)力比計算公式；陳振建和盛崇文[18]從有效單元概念出發(fā)，得到樁土應(yīng)力比的公式.

在碎石樁外包裹一層土工材料加筋體后，由于加筋體的側(cè)向環(huán)箍效應(yīng)，碎石樁的承載變形及其破壞模式均可能發(fā)生變形.這種特性使筋箍碎石樁復(fù)合地基具有不同于傳統(tǒng)散體材料樁復(fù)合地基或其它復(fù)合地基的特點.因此，筋箍碎石樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比計算不能簡單直接套用上述已有公式，而需根據(jù)筋箍碎石樁復(fù)合地基承載變形特性，考慮樁加筋體土三者相互作用，建立樁土應(yīng)力比計算模型.

為此，本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，基于彈塑性理論，考慮筋材的環(huán)箍效應(yīng)，推導(dǎo)筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算新公式.

4 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)碎石樁理論的基礎(chǔ)上考慮土工強(qiáng)加筋材料對碎石樁的環(huán)箍效應(yīng)，假定樁為具有恒定剪脹角的彈塑性體，且滿足摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動法則，土體和加筋體為線彈性材料，考慮樁筋材土的應(yīng)力與變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)得筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算解析解.通過與彈塑性極限分析方法計算結(jié)果的對比分析，驗證了本文方法的解析解的正確性.在此基礎(chǔ)上，分析探討了筋材剛度、面積置換率、樁周土變形模量等因素對筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響.通過分析表明：樁土應(yīng)力比隨筋材剛度、樁體面積置換率和樁體內(nèi)摩擦角的增大而增大；隨樁周土變形模量和樁體剪脹角的增大而減小.

此外，筋箍碎石樁復(fù)合地基承載變形極為復(fù)雜.本文方法對土體和加筋體均作簡化處理，假定其為線彈性材料.如何在樁土應(yīng)力比分析中考慮樁周土、加筋體的非線性變形特性等仍有待進(jìn)一步研究.

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