堤荷载下刚性桩复合地基的沉降计算.doc

路堤荷载下刚性桩复合地基的沉降计算于志龙 1 张海涛 2（1.连云港市公路管理处， 2.连云港市交通工程质量监督站，江苏 连云港 222000）摘要：分析了刚性荷载和柔性荷载作用下的刚性桩复合地基沉降特性，对CFG桩和PTC预应力管桩处理的路堤试验段进行了七种方法沉降计算，并与实测结果进行了对比分析，指出了各种方法的优缺点及适用性。关键词: 路堤荷载 刚性桩复合地基 沉降 计算1.路堤荷载下刚性桩复合地基的沉降特征采用复合地基技术不仅可以提高地基的承载力，还可以减少地基沉降。路堤下的刚性桩复合地基是一个由桩（桩帽）、水平加筋材料、垫层、路堤填土和地基土等部分组成，这几部分相互作用、相互影响，其工作原理和沉降特性非常复杂。工民建的桩基或刚性桩复合地基（复合桩基），其桩-土-承台的沉降协调发展，且通常桩体沉降大于桩周土体的沉降；而作为加固公路下的软土地基，刚性桩复合地基的桩距都比较大，其沉降特征则不同，桩间土承担了一定的荷载，桩间土体的沉降在一定范围内大于桩体的沉降，会伴随产生负摩阻力；而且由于在路堤底部也是桩顶位置设有柔性垫层，除了垫层本身的压缩之外，还有一定量的桩体向上刺入变形的产生，尤其是在没有桩帽的CFG桩复合地基当中。11.1不带桩帽的刚性桩复合地基沉降在桩身方面，基础底沉降S可表示如下：Sp=Spt+Spp+Spb+Ss2+Sc (1.1)Spt桩刺入垫层深度；Spp桩的压缩量；Spb桩刺入下卧层的深度；Ss2下卧层的压缩量；Sc垫层压缩量。在桩间土方向上，基础底面沉降Ss也可表示如下：Ss= Sc +Ss1+Ss2 (1.2)Ss1桩间土的压缩量，其余同上。1.2带桩帽的刚性桩复合地基沉降在桩身方面，基础底沉降S可表示如下：Sp=Spt+Spp+Spb+Ss2+Sc (1.3)Spt桩刺入垫层深度；Spp桩的压缩量；Spb桩刺入下卧层的深度；Ss2下卧层的压缩量；Sc垫层压缩量。PTC预应力管桩的强度和模量很大，而路堤荷载又不会太大，桩身的压缩量可以忽略，可以简化为下式来说明：Sp= Spb+Ss2+Sc (1.4)在桩间土方向上，基础底面沉降Ss也可表示如下：Ss= Sc +Ss1+Ss2 (1.5)Ss1桩间土的压缩量，其余同上。1.3路堤荷载刚性桩复合地基沉降的主要特征（1）与刚性基础不同，路下刚性桩复合地基的变形不能满足桩土等应变的规律，尤其是在路堤底面；（2）不带桩帽情况下，桩身向柔性垫层刺入；（3）桩间土的沉降大于桩身沉降。2.沉降计算方法由于桩会发生上刺和下刺，复合地基沉降除主要由加固区和下卧层组成外，还要考虑桩的上、下刺入量及垫层压缩量。垫层压缩量占复合地基总沉降量的比列与荷载大小有关，相对其他组成部分，这部分的沉降量不是很大，估算即可，而且其厚度、模量变化对沉降影响不大。没有软弱下卧层时，复合地基沉降以加固区压缩量为主，总沉降量随桩间距的减小而减小；如果桩体下部有一定深度的软土层，则由于桩端应力向下部扩散，下卧层产生较大沉降，此时控制下卧层沉降成为整个地基沉降控制的重点。桩体的上、下刺入量的计算是目前沉降计算的一个难点，对一般工程可简单估算，但重要工程需进行计算。设计中如不考虑桩体的上、下刺入量，不可避免地将导致沉降计算量明显小于实测值。2下面将介绍几种计算方法。2.1桩间土应力减小法刚性桩复合地基涉及到桩，桩帽，加筋材料，垫层和路堤填土的共同，其性状非常复杂。到目前为止，沉降计算还没有相应的解析解。路堤沉降可由下式来进行简单的计算： (2.1)为天然地基下路堤沉降，可采用常规分层总和法计算；桩（帽）间土反力；路堤荷载；桩间土荷载减小比；沉降修正系数，暂取1.0。其中系数可以通过大量的计算和实测结果的对比得出。2.2位移模式法 (2.2) 2.3等沉面的计算方法 (2.3)2.4其他计算方法还有复合模量法、应力与沉降分解法、联合求解法、有限元等。33.工程实例沉降计算对比分析3.1路堤荷载下CFG桩复合地基沉降计算分析对比连盐高速公路在下车中沟中桥北桥头（K13+982K14+052）和南桥头（K14+154K14+230）两段，采用了CFG桩复合地基进行软基处理，设计桩长12.5m，桩径400mm，桩距1.31.5m，正三角形布置，桩身混凝土C15，施工采用振动沉管法。其中K14+160试验段进行了各种计算方法和实测沉降结果的对比，如表1.表1 CFG桩复合地基沉降计算对比 序号计算方法沉降计算结果备注1桩间土应力减小法418.9S0=997.5，Rs=0.422复合模量法248.43位移模式法286.44应力与沉降分解法4305等沉面的计算方法282.36联合求解法5117有限元321.18实测结果3799实测数据预测最终沉降379+121.2=500.2mm3.2路堤荷载下带帽PTC预应力管桩复合地基沉降计算分析对比PTC管桩试验段位于连盐高速公路连云港段灌云四-2标新沂河特大桥北桥头（K32+759.6933.55）。进行了各种计算方法和实测沉降结果的对比分析，如表2。表2 PTC预应力管桩复合地基沉降计算对比 序号计算方法沉降计算结果备注1桩间土应力减小法187.7S0=988.04，Rs=0.192复合模量法143.83位移模式法196.34应力与沉降分解法1915等沉面的计算方法157.66有限元1667实测结果1488实测数据预测最终沉降148+29.7=177.72mm4.各种计算结果对比分析从以上两个计算实例中各种计算方法和实测结果的对比分析来看，复合模量法由于夸大了桩体的置换作用，计算出来的沉降值偏小；有限元的计算结果，采用的是平面有限元模型，尽管对桩体进行了等效处理，但是仍然在一定程度上夸大了桩体的作用，计算的沉降也偏小，但是能考虑到各种影响因素以及固结沉降的全过程，在这个方面是其它方法所无法相比的。桩间土应力减小法，计算简单，思路清晰，同时还能考虑到路堤填土的性质以及桩间距桩帽尺寸的影响，如果通过大量的计算和实测结果的对比分析，得出修正系数的大小，则不失为计算刚性桩复合地基沉降的一种推荐方法。其中应力与沉降分解法对桩间土应力减小法有所改进，但是需要增加试验数据的支持。基于位移模式的方法，能考虑到柔性荷载下路堤变形的“自由应变”的特征，也能考虑到桩侧摩阻力的分布，是一种综合全面的计算方法，但是这种计算方法的前提是要弄清楚柔性荷载刚性复合地基中刚性桩的桩侧摩阻力分布形式，这就限制了该方法的使用，而且对带桩帽的刚性桩复合地基，因为桩侧摩阻力分布的复杂性而难以推广使用。基于等沉面的计算方法，概念比较清楚，能充分考虑到上部路堤填土的性质、桩体（帽）的尺寸以及桩间土的性质，也能考虑到地基土的性质，但是对于地基基床系数的取值有一定的难度，且计算出来的结果是一种平均沉降，故比实测沉降的结果要小。45.结论5.1通过对刚性荷载和柔性荷载作用下的刚性桩复合地基沉降特性的分析，解释了路堤柔性荷载作用下刚性桩复合地基的沉降特性，分别提出了桩间土应力减小法、复合模量法、位移模式法、应力与沉降分解法、等沉面的计算方法、联合求解法、有限元等七种计算方法。对CFG桩和PTC预应力管桩处理的路堤试验段进行了计算，并与实测结果进行了对比分析，指出了各种方法的优缺点及适用性。5.2柔性荷载作用下刚性桩复合地基沉降较刚性荷载大，而且又有桩体的上刺和下刺量，如何进行计算是目前尚未根本解决；需进一步加强科研工作，在现有各影响因素研究的基础上，提出合理的柔件荷载作用下刚性桩复合地基承载力模式。现场测试研究，在实测基础上提出相应的经验公式是一种便捷、行之有效的方法。参考文献1 池跃君刚性桩复合地基承载及变形特性试验研究中国矿业大学学报，2002，vo131，No3，P2372402 池跃君，宋二祥，陈肇元刚性桩复合地基沉降计算方法的探讨及应用土木工程学报.2003，Vol36，No11，P19233 张小敏，郑俊杰刚性桩复合地基应力及沉降计算岩土工程技术，2002，第5期，P2652684 连云港市高速公路建设指挥部，东南大学交通学院路堤下刚性桩复合地基理论与设计方法研究报告2006, P90104Settlement Calculation about Embankment Load of Rigid Pile Composite FoundationYu Zhilong1 Zhang Haitao2( 1.Lianyungang City Highway Administration, Lianyungang City Traffic Engineering Quality Surveillance Station, Lianyungang 222000)ABSTRACT: Through the rigid and flexible load load under rigid pile composite settlement of the analysis of the CFG and PTC prestressed Piles and piles with a test section of embankment seven settlement calculation methods, and with the experimental results were analyzed, discussed the advantages and disadvantages of various methods and applicabilityK