混凝土芯砂石樁復合地基固結解析解及性狀分析

楊 燕 偉

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南 昆明 650200)

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混凝土芯砂石樁復合地基固結解析解及性狀分析

楊 燕 偉

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南 昆明 650200)

通過計算，得到了混凝土芯砂石樁復合地基固結計算的解析解，并根據解析解對復合地基的固結性狀進行了分析，結果表明：砂石樁樁體長細比越大，地基固結速率越??；隨芯樁直徑增大固結速率先增大后減小。

復合地基，混凝土芯砂石樁，固結性狀，解析解

1 概述

混凝土芯砂石樁(混凝土芯砂樁)復合地基是一種軟土地基加固新技術[1-3]，其加固原理是芯樁和樁間土共同承擔豎向路堤荷載；環形砂石樁加速樁間土固結，并提高芯樁側摩阻力[4，5]。

圖1和圖2分別為混凝土芯砂石樁復合地基示意圖及其樁體結構型式示意圖，從圖中可以看出，由于設置砂石樁其樁間土的固結非常突出。

目前已有的混凝土芯砂石樁復合地基固結解析解[4-6]還不夠完善，未能反映樁土共同分擔荷載且不能反映環形排水通道對復合地基固結性狀的影響。

本文得到了考慮樁土共同作用和環形排水通道的復合地基固結方程和解析解；并對固結性狀進行了分析。

2 固結計算模型

2.1 計算模型圖

混凝土芯砂石樁復合地基固結計算簡圖如圖3所示。H為混凝土芯砂石樁加固區厚度；Ec,Ew,Es分別為芯樁、砂石樁和土體的壓縮模量；rc為芯樁半徑;rw為砂石樁半徑；rs為擾動區半徑;re為影響區半徑；σ為瞬時施加的荷載；kh,ks分別為樁間地基土未擾動區和擾動區的水平方向滲透系數；kw,kv分別為砂石樁和樁間地基土的豎向滲透系數。

2.2 假定

1)土體、砂石樁和芯樁等應變假定成立；2)忽略環形砂石樁水平方向滲流；3)樁間地基土體孔隙水的滲流符合達西定律；4)符合連續性假定，任意深度，從樁間土土體流入環形砂石樁的水量等于環形砂石樁中向上水流的增量。即：

(1)

2.3 固結偏微分方程

由荷載平衡條件和2.2假定可得：

(2)

(3)

令：

(4)

由式(2),式(3)可得：

(5)

(6)

土體的固結方程[6-8]：

(7)

(8)

相應的徑向邊界條件：

r=rs:us=un。

2.4 控制方程推導

參照文獻[9][10]可以得到：

(9)

其中：

(10)

其中，A為一個正常數，表達式為：

(11)

(12)

其中,B，C均為常數，表達式如下：

(13)

如圖3所示，假設底面不透水，頂面透水，則邊界條件為：

(14)

根據參考文獻[8]，初始時刻t=0時樁間土和混凝土芯砂石樁都未產生變形，εv=εz=0，則由式(3)推導可得：

(15)

代入式(2)得：

(16)

由式(4)可得：

(17)

2.5 方程解答

[6][9]的解法，設控制方程的解的形式為：

(18)

(19)

方程(19)的解為：

Ta(t)=A′e-βat

(20)

其中：

(21)

將式(18)代入式(10)可得：

(22)

將式(22)代入初始條件(17)可得：

(23)

(24)

由式(20),式(24)可得：

(25)

所以有：

(26)

將式(26)代入式(18)和式(22)可得復合地基中的超靜孔壓分別為：

(27)

3 固結計算

固結度表達式為：

(28)

由式(28)可以看出：當rc→0時，退化為盧萌盟散體材料樁解[9]。

4 復合地基固結性狀分析

βat=ΓaTh

(29)

可得：

(30)

(31)

由圖4得re,rw一定時，地基固結速率隨芯樁直徑rc增加，先增大后減小。

從圖5中可以看出：長細比越大固結速度越慢。

從圖6可以看出：陳俊生解未考慮芯樁荷載分擔，而采用折減砂石樁面積考慮環形截面的影響，固結速率最慢；俞縉的解考慮了芯樁荷載分擔又忽略了砂石樁的樁阻，固結速率最快；本文解同時考慮混凝土芯砂樁的樁阻和荷載分擔，所以固結速度介于二者之間。

5 結語

1)文中解考慮環形排水通道和樁土荷載分擔，與以往解析解相比更接近于實際工況。2)芯樁直徑一定的情況下，砂石樁長細比越大固結速度越慢。

參考文獻:

[1] 趙維炳,唐彤芝,蔡 新,等.加固深厚軟基的新方法——混凝土芯砂石樁復合地基法[P].中國專利:CN20061003762 1.2.2006-10-03.

[2] 陳俊生,趙維炳,唐彤芝.混凝土芯砂石樁復合地基技術在處理橋頭深厚軟基中的應用[J].施工技術,2007，36(1):70-72.

[3] 程萬釗,樂茂華,王富永,等.混凝土芯砂石樁復合地基加固堤防軟基試驗研究[J].水利學報,2007,38(sup):675-680.

[4] 陳俊生.混凝土芯砂石樁復合地基法加固深厚軟基技術研究[D].南京：南京水利科學研究院博士學位論文,2007.

[5] 俞 縉,戚志博,蔡燕燕,等.低標號混凝土芯砂石樁復合地基固結計算方法[J].工程力學,2012(6):218-240.

[6] 張玉國.散體材料樁復合地基固結理論研究[D].杭州：浙江大學博士學位論文,2005.

[7] 王瑞春.豎井地基和散體材料樁復合地基固結解析研究[D].杭州：浙江大學博士論文,2001.

[8] 盧萌盟,謝康和,張玉國，等.考慮施工擾動和荷載效應的復合地基固結解[J].巖土工程學報,2008,30(4):549-554.

[9] 謝康和.復合地基固結理論研究現狀與發展[J].地基處理,1993,4(3):1-4.

Analyticalsolutionandanalysisforconsolidationoftheconcrete-coredsand-gravelcolumnscompositefoundation

YangYanwei

(ChinaRailwaySiyuanGroupSouthewestSurveyandDesignGroupCo.,Ltd,Kunming650200,China)

Through calculation, the paper obtains the analytic solution of the concrete-cored sand-gravel pile composite foundation consolidation calculation. According the analytic solution, it analyzes the composite foundation consolidation behavior. Results show that: the greater of the sand-gravel pile length-slender ratio, the smaller of the foundation consolidation ratio; as the cored pile diameter increasing, the consolidation ratio will firstly increase and then reduce.

composite foundation, concrete-cored sand-gravel pile, consolidation behavior, analytic solution

1009-6825(2017)12-0056-03

2017-02-18

楊燕偉(1981- )，男，博士，工程師

TU473

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