（岩土工程专业论文）基于圆孔扩张理论顶部加箍碎石桩承载力计算.pdf

c a l c u l a t i o no fb e a r i n gc a p a c i t yo fg e o s y n t h e t i c - e n c a s e dg r a v e lp i l e b a s e do nc o l u m nc a v i t ye x p a n s i o nt h e o r e m b y l iq i z e b e ( h u a z b o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e nc h a n g f u m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律后果由本人承担。 作者签名： 夸共泽 日期：加lj 年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：z - l1 年石月? 日 醐：如“年6 月彳日 基于网孔扩张理论顶韶加箍碎石桩承载力计算 摘要 碎石桩复合地基以其良好的工程性能被广泛应用于路堤、桥梁、蓄水池、港 口以及低矮民用建筑的加固处理中。当采用碎石桩加固软土时，其承载性能的发 挥主要取决于桩侧土体水平方向约束力的大小。为了提高侧向约束力，实际工程 在桩顶设置土工合成材料或钢筋混凝土套筒，通过采用这一新型技术，碎石桩承 载性能得到了极大改善。针对加箍碎石桩承载力研究不足的现状，本文以圆孔扩 张理论为基础，主要进行了以下工作： ( 1 ) 探讨了荷载作用下加箍碎石桩的承载机理及其破坏模式。在传统圆孔扩 张理论的基础上，采用m o h r c o u l o m b 屈服准则，考虑土体自重效应和加箍段桩 侧摩阻力的影响，推导出加箍碎石桩单桩极限承载力的计算公式。 ( 2 ) 以弹性力学平面问题基本方程和塑性理论为基础，考虑扩张重叠作用的 影响，建立了新的加箍碎石桩群桩计算模型，推导出考虑群桩相互作用的承载力 计算公式。通过对相关参数进行分析，探讨了本文方法与传统扩张理论在加箍碎 石桩承载力计算上的差异。 ( 3 ) 基于统一强度理论，提出了加箍碎石桩径向应力计算式，推导出加箍碎 石桩单桩和群桩承载力计算公式，并进一步研究了强度计算准则对加箍碎石桩承 载力计算结果的影响。 ( 4 ) 结合工程实例，比较分析现场载荷实验与本文方法的计算结果，验证了 本文群桩模型承载力计算公式的可行性。通过分析研究单桩模型与群桩模型在计 算结果上的差异，探讨了群桩作用在加箍碎石桩承载力计算中的必要性。 关键词：复合地基；加箍碎石桩；圆孔扩张理论；承载力；扩张重叠； 统一强度理论 a b s t r a c t o w i n g t oi t s g o o de n g i n e e r i n g f o u n d a t i o nh a sb e e nw i d e l y u s e di n p e r f o r m a n c e s ， s t o n ec o l u m n sc o m p o s i t e t h er e i n f o r c e m e n tp r o c e s s i n g o fr o a d e m b a n k m e n t ，b r i d g e s ，p o r t sa n dc i v i lb u i l d i n g s w h e ns t o n ec o l u m n b eu s e di ns o f t s o i l ，t h ep e r o f r m a n c e so fi t sb e a r i n gc a p a c i t yu s u a l l yl i m i t e db yl a t e r a lc o n f i n e m e t f r o mt h es o i l a n ds e t t i n gg e o s y n t h e t i c sa t t h et o po fs t o n ec o l u m no ru s l n g r e i n f o r c e dc o n c r e t es l e e v e sa r eb e i n ga p p l i e di np r o je c t s ，t h r o u g hw h i c ht e c h n o l o g y b e a r i n gc a p a c i t yo fs t o n e c o l u m ni sg r e a t l yi m p r o v e d i n t h i sp a p e r ，t h ec a v l t y e x p a n s i o nt h e o r e nw a sc o n s i d e r i n g ，a n do nt h eb a s i so fw h i c h i ta l s oc o m p l e t e so t h e r m a i nw o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt oa n a l y s et h eg e o s y n t h e t i c - e n c a s e ds t o n ec o l u m n ，b a s e d o nt h e c o l u m nc a v i t ye x p a n s i o nt h e o r e ma n dc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo f t h es o i lg r a v i d i t y s t r e s s t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fs i n g l ep i l e w a sd e d u c e d w h e nm o h r c o u l o m by i e l dc r i t e r i o nw a sa d p o t e d ( 2 ) t h eb e a r i n gc a p a c i t y c a l c u l a t i o nm e t h o do fg e o s y n t h e t i c e n c a s e dg r a v e l p i l e sw a se s t a b l i s h e d i nt h ep r e m i s eo fc o n s i d e r i n ge x p a n s i o no v e r l a p a n d t h e b e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fp i l eg r o u p sa l s og i v e n i nt h i sp a p e r i tw a s f u r t h e rp o i n t e do u tt h a tt h i sm e t h o dw a sv e r yd i f f i e r e n t f r o mt h et r a d i t i o n a lc a v i t y e x p a n s i o nt h e o r y ( 3 ) o nt h eb a s i so ft h eu n i f i e ds t f e n g t ht h e o r y ，t h eb e a r i n gc a p a c i t yf o r m u l af o r b o t hs i n g l ep i l ea n dp i l eg r o u p sw a sp r o p o s e d u n d e rt h ef u r t h e rs t u d yo f e f f e c t sb y d i f f e r e n ts t r e n g t hc r i t e r i a ，t h e i n f u l e n c et ot h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c l t yw a sa i s o a n a l y z e di nt h i sp a p e r ( 4 ) i no r d e rt ov a l i d a t et h ep r o p o s e dm e t h o d ，ac a s eh i s t o r yw a si l l u s t r a t e d t h e r e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h ec a l c u l a t i o nm o d e l so fs i n g l ep i i e a n dp i l eg r o u p sw a s p r a c t i c a b i l i t y a n dt h ef u r t h e ra n a l y s e si n d i c a t e st h a t i nt h ec a l c u l a t i o no f b e a r i n g c a p a c i t yo fg e o s y n t h e t i c e n c a s e ds t o n ec o l u m n sc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t sb e t w e e n p i l e g r o u p sw e r ev e r yn e c e s s a r y k e yw o r d s ：c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；g e o s y n t h e t i c 。e n c a s e ds t o n ec o l u m n s ；c a v i t y e x p a n s i o nt h e o r y ；b e a r i n gc a p a c i t y ；e x p a n s i o no v e r l a p p e d ；u n i f i e d s t r e n g t ht h e o r y i 基于圆孔扩张理论顶部加箍碎石桩承载力计算 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 复合地基概述1 1 1 1 复合地基的分类1 1 1 2 复合地基作用机理2 1 2 碎石桩概述3 1 2 1 碎石桩发展概况3 1 2 2 碎石桩加固机理4 1 2 3 碎石桩极限承载力传统计算方法一6 1 2 4 规范计算方法8 1 2 5 基于圆孔扩张理论碎石桩承载力计算方法9 1 3 顶部加箍碎石桩概述1 0 1 3 1 加箍碎石桩试验研究1 1 1 3 2 加箍碎石桩理论研究1 3 1 4 本文研究内容和方法1 4 第2 章基于圆孔扩张理论加箍碎石桩单桩承载力计算1 6 2 1 圆孔扩张理论基本原理1 6 2 2 加箍碎石桩破坏模式1 9 2 3 基本假设与计算模型2 0 2 4 加箍段桩侧摩阻力分析2 l 2 5 塑性区半径r 。的计算2 2 2 6 侧向极限应力盯。u 的计算2 4 2 7 本章小结2 6 第3 章加箍碎石桩群桩承载力计算2 7 3 1 扩张重叠对塑性区半径r 。的影响2 7 3 2 群桩作用下的加箍碎石桩承载力计算模型2 8 3 2 1 等效半径2 8 3 3 参数分析一3 0 3 3 1 土体粘聚力c 对塑性区半径的影响3 0 硕j ：学位论文 3 3 2 土体内摩擦角伊对塑性区半径的影响3 1 3 3 3 泊松比对塑性区半径的影响3 2 3 3 3 弹性模量对塑性区半径的影响3 3 3 3 4 桩径r o 对塑性区半径的影响3 3 3 4 本章小结j 3 4 第4 章基于统一强度加箍碎石桩承载力计算3 6 4 1 统一强度理论概述3 6 4 1 单剪强度理论与双剪强度理论对比一3 8 4 3 1 理论组成与使用范围3 8 4 3 2 理论强度3 8 4 3 3 极限面范围3 9 4 2 统一强度理论基本原理一3 9 4 3 基于统一强度理论的单桩承载力计算一4 l 4 3 1 基于统一强度理论弹塑性交界处径向应力分析4 1 4 3 2 基于统一强度理论塑性区半径推导一4 2 4 3 3 基于统一强度理论单桩承载力推导一4 3 4 4 基于统一强度理论群桩承载力计算4 4 4 5 参数分析4 4 4 5 1 统一强度理论下塑性区半径影响参数分析4 4 4 5 2 统一强度理论下承载力影响参数分析一4 6 4 6 本章小结4 7 第5 章工程实例验证与分析? 4 8 5 1 工程实例验证4 8 5 2 工程实例分析5 0 5 2 1 深度效应分析一5 0 5 2 2 计算结果分析5 l 结语5 3 参考文献一5 5 致谢6 0 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文) 6 1 v 1 - _ 一 硕士学位论文 1 1 复合地基概述 第1 章绪论 复合地基的概念最早由日本学者在2 0 世纪6 0 年代初提出。一般指天然地基 在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料， 加固区由基体( 天然地基土体或被改良的天然地基土体) 和增强体两部分组成的 人工地基【。 自“复合地基 这一概念被提出以来，复合地基得到了不断的扩张和发展【2 1 。 在发展的初期阶段，它主要指的是碎石桩复合地基，伴随着水泥土桩复合地基的 应用，复合地基的概念发生很大变化，开始由散体材料桩复合地基逐步扩展到粘 结材料桩复合地基。而随着各种桩基技术的发展以及多种低强度混凝土桩的应 用，复合地基的概念更是得到了前所未有的扩展。现在，复合地基、浅基础、桩 基础已经成为土木工程中常用的三种地基基础形式，尤其是复合地基，由于该技 术能充分利用天然地基及增强体的承载潜能，因此，在我国地基处理中得到了广 泛的应用1 3 j 。 1 1 1 复合地基的分类 根据地基中增强体方向的不同，复合地基可分为水平向增强体复合地基、竖 向增强体复合地基以及双向增强体复合地基三大类，如图1 1 所示。 j ij jjjj3i，j ，j ，j ，i j jl ll i | | jil ( a ) 水平向增强体复合地基( b ) 竖向增强体复合地基( c ) 双向增强体复合地基 图1 1 复合地基分类 水平向增强体复合地基主要指加筋土地基，是通过在地基中水平铺设土工织 物、土工格栅等加筋材料而形成的复合地基。水平向增强体的存在，能有效地增 强地基承载力、减小地基沉降、防止地基土侧向剪切挤出破坏等。根据以往的试 验和理论分析表明，水平向增强体的工作性能与加筋材料的结构构造、强度、层 数、铺设方式等诸多因素密切相关。 竖向增强体复合地基习惯上称为桩体复合地基。这一类型增强体通过桩将基 iiir i_i， 基于圆孔扩张理论顶部加箍碎石桩承载力计算 础上的荷载传向地基深处，整个复合地基的性能( 承载、沉降、稳定) 得到改善。 这种特点使得竖向增强体这一出现最早的复合地基种类，自今仍是工程实践中应 用最广泛的一种。根据桩体的材料性质，竖向增强体复合地基又可进一步分为三 类：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基。 散体材料桩复合地基，包括砂桩、碎石桩、矿渣桩等复合地基； 柔性桩复合地基，包括石灰桩、水泥土桩、低强度混凝土桩等复合地基； 刚性桩复合地基，包括低强度混凝土桩、水泥粉煤灰( c f g ) 桩、钢筋 混凝土桩等。 综上所述，对复合地基的分类，可概括如下： 复合地基 竖向增强体复合地基 水平向增强体 散体材料桩复合地基 粘结材料桩复合地基 翥藿羞萎喜誊萋 双向增强体( 竖向+ 水平向增强体复合地基) 1 1 2 复合地基作用机理 散体材料桩顾名思义其桩体是由散体材料所组成，由于桩身材料没有粘结强 度，单独不能形成桩体，所以必须依靠周围土体的“围箍才能形成桩体。散体 材料类桩复合地基的承载力主要取决于散体材料的内摩擦角和周围地基土体能 够提供的桩侧阻力。 柔性桩( 水泥土类桩) 复合地基的桩体刚度较小，但与散体材料桩相比，其桩 体材料具有一定的粘结强度。而由于整个柔性桩复合地基的承载力是由桩体以及 桩间土体两者共同承担的，且由桩体置换作用形成的复合地基比散体材料桩具有 更高的刚度，所以承载力也比散体材料桩要高很多。 刚性桩复合地基，在三种复合地基中，刚性桩复合地基的承载力最大，这主 要是因为通过置换作用形成的刚性桩复合地基，其桩体材料强度比散体材料桩和 柔性材料桩来的更大，因此，在地基承载能力方面，刚性桩复合地基承载力在散 体桩、柔性桩复合地基的基础上要提高很多。中国建筑科学研究院地基基础研究 所于19 9 2 年开发成功的c f g 桩复合地基( 强度等级在c 1o 以上) 即为中国最早的 刚性桩复合地基。 本文主要以碎石桩为研究对象，从种类类上来说，碎石桩隶属散体材料桩， 具有散体材料装所包含的典型特征；从发展历程上来说，碎石桩是复合地基发展 2 硕l ：学位论文 之初便被研发出来，至今仍处被土木工程界广泛使用的一种经济、有效的复合地 基技术。然而，尽管碎石桩加固技术在工程界中得到了长足的发展，但在理论研 究方面，特别是承载力计算和沉降计算方面，还远远不能满足工程实践的需要。 1 2 碎石桩概述 碎石桩( g r a v e lp i l e ) 又称粗颗粒土桩。碎石桩复合地基是指利用振冲( 振 动和水冲) ，或者( 振动、冲击等) 沉管等方式在软弱地基中成孔后，将砂、卵 石、碎石等散体材料挤压入已成的孔中，形成大直径密实桩体。通过增强体与天 然地基两者的共同作用，达到承载效果。 随着我国改革开放的深入，基础设施建设步伐的加快，在实际工程中常常会 碰到软弱地基与道路因为承载和变形无法满足要求，需要对其进行加固处理的情 况。而我国现阶段仍处于并将长期处于发展中阶段的基本国情，决定了建设过程 中有限的经济实力；地域广阔，地质条件具有多样性的基本环境更是决定了处理 对象的复杂性。因此“造价低、质量优 的工程要求在建设中显的尤为重要。 碎石桩复合地基作为一种重要的地基处理方法，由于具有施工简单、费用低廉、 施工周期短、适用范围广等特点，越来越受到工程界的青睐，在我国广泛应用于 各类工业与民用建筑、道路、桥梁、水坝、油灌、港口、电站等工程，并取得了 良好的工程效果。 1 2 1 碎石桩发展概况 据h u 曲e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) 【4 】的资料介绍，碎石桩最早始于1 8 3 5 年，在 法国b a y o n n e 地区建造兵工厂车间时曾使用过，但后来被人们所遗忘。19 3 6 年， 德国s s t e u e r m a n 提出振动水冲法，但此法最初仅用于加固砂土地基。 到了2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，德国和英国将振冲法首度应用于加固粘 性土地基。如在德国纽伦堡某工程，地基中有一层软粘土，施工时先在地基中利 用振冲器造2 0 m 深的孔，填入块石，再用振冲器将块石振捣密实。软粘土地基 经过这样处理后承载力显著提高。工程界将以振冲法在粘性土中形成的密实碎石 柱称为碎石桩。 日本于19 5 7 年引进振冲法，利用碎石桩来加固松砂地基，目的在于提高砂 土地基的抗液化能力。通过对震害后结果的调查表明，经振冲法碎石桩加固的砂 土地基液化现象大为减弱，建、构筑物基本保持完好，而未经处理的砂土地基上 的建筑物则受到严重破坏，因此振冲法作为砂基抗震防止液化的有效处理措施在 日本被广泛优选采用。 目前随着技术的进步，各种不同的施工工艺相应产生，如沉管法、振动气冲 法、袋装碎石桩法、强夯置换法等。它们虽然施工工艺不同于振冲法，但同样可 3 基于网孔扩张理论顶部加箍碎石桩承载力计算 形成密实的碎石柱，碎石桩的内涵慢慢扩大了，其有效性和经济性越来越被人们 所承认。国外许多大型地基工程【4 3 1 ，如美国的箱峡水电站、斯本索的火电厂、 卡尔隆的原子能电站，埃及阿斯旺大坝水下吹填砂的加密，尼日利亚的杰巴电站 坝基，加拿大的伊斯曼坝坝体水下冰渍砾石加密，喀麦隆共和国拉格都水电站坝 体水下回填粗砂砾加密等均采用了碎石桩进行地基处理。 我国于上世纪7 0 年代中期引进振冲法加固技术，最早在l9 7 6 年由南京水利 科学研究院和交通部水运规划设计研究院联合研究和应用，随后碎石桩在我国的 地基加固中得到了广泛的应用。目前我国很多工程包括大坝、道路、民用建筑等 都采用了碎石桩加固技术。在振冲机具方面，19 8 4 年，水电部北京勘测设计院 自制成功7 5 k w 的大功率潜水电机振冲器，并在多项工程中使用。近年来，国内 研制成功的振冲器最大功率已达18 0 k w ，大功率振冲器的出现，使振冲加固地 基的应用范围又跃上一个新高度。采用振冲法，在昆明含水量5 0 9 0 的淤泥 地基上经加固后建成了1 2 层高楼；用1 3 0 1 5 0 k w 处理的最大深度已达2 5 m ；三 峡大坝二期围堰风化沙砾采用7 5 k w 振冲器制作碎石桩深达3 0 m 。 利用振冲法加固地基施工机具简单，操作方便，加固质量容易控制，施工速 度快，适用于不同土类。加固时取材方便，造价低，具有明显经济效益。但施工 中排放污水、淤泥量大，在人口稠密地区和没有排污泥场时使用受到一定限制。 为了克服这一缺点，自上世纪8 0 年代开始，相继产生了锤击法、振挤法、干振 法、沉管法、振动气冲法、袋装碎石法、强夯碎石桩置换法等多种碎石桩施工技 术，取得了良好的工程效果。 1 2 2 碎石桩加固机理 在软土、砂土中采用砂、卵石以及碎石等散体材料构造的碎石桩，其桩体刚 度与土体相比要大得多的。在上部荷载的作用下，增强体与天然基体通过共同承 担上部荷载而形成复合地基。在整体变形作用下，桩与土的协调变形开始发挥作 用，并导致共同作用中的大部分荷载传递给刚度大、强度高的碎石桩桩体，土体 所受负荷大为减小，故复合地基的工程性能明显地改善，强度增大，沉降与不均 匀沉降减小，而且沉降期亦大为缩短。对于碎石桩的加固机理，不少学者【5 8 】进 行了，一般认为，碎石桩的加固作用主要来自以下几个方面： ( 1 ) 挤密作用。在填入碎石的过程中，松散的砂土在振动荷载作用下，颗粒 间的位置重新排列，不稳定的颗粒将移向势能更低、更为稳定的位置，进而体积 缩小呈密实状态。这种强制性的挤密，使得可液化土层的孔隙率降低，相对密实 度、干密度和内摩擦角则显著增加，土的物理力学性能得到改善。 ( 2 ) 排水减压作用。在复合地基中，碎石桩在土层中形成良好的排水通道， 缩短了土中排水路径，加速了超净孔压的消散，阻止了地基液化，增强了土体的 4 硕十学位论文 抗剪强度。 ( 3 ) 减震作用。碎石桩复合地基中，桩土承受地震剪应力重分布的概念有 b a e z 和m a r t i n 【9 】提出，由于地震剪应力的分布与桩土刚度和面积成函数关系， 因此在复合地基中，相对刚度较大的桩体将会产生地震剪应力的集中，因此减少 了作用在土体上的剪应力。 ( 4 ) 加筋作用。与桩间土体相比，碎石桩的模量更大，这种加筋作用使得复 合地基的内摩擦角增大、抗剪强度提高、抵抗变形能力增加，增强了地基的稳定 性。 上述特点决定了碎石桩复合地基特殊的工程特性，根据对已有研究成果的总 结归纳，碎石桩对地基加固作用的效果主要体现在以下几个方面【l0 1 3 】： ( 1 ) 承载能力显著提高。承载力的提高主要表现为两点，第一、减少负摩阻 力导致的承载力损失。碎石桩在使用过程中不会出现类似钢筋混凝土桩和刚装所 谓的负摩擦问题，这是因为碎石桩在受力变形过程中，桩体与周围土体变形协调 性更好所致，从而减少了在承载力方面的损失。第二、应力集中效应。碎石所构 成的桩体与周围的土体是两种不同刚度的材料，由他们组成的复合地基在承受上 部结果传来的荷载时，将发生压力的重分布，这种重分布的结果导致了部分压力 向刚度较大的碎石桩体上集中，压力集中现象的产生使得地基的承载能力得到显 著提高。 ( 2 ) 沉降量明显减少。沉降的减少与碎石桩的置换作用密切相关。置换即为 碎石的刚度比周围土体的刚度大，地基应力按材料变形模量分配，荷载将主要由 碎石桩承担。经置换作用处理之后，复合地基在变形模量上要比天然地基提高很 多。作为复合土层，复合地基在地基处理中的作用，相当于在软基上形成了一个 硬壳层。软基层便是未做处理的土层，硬壳层便是复合地基埋置层，在有效埋置 深度内的复合地基像垫层一样起着压力扩散以及均布荷载的作用。然而值得注意 的是，在工程中，振冲碎石桩的桩径并不是一层不变的，即便是在同一深度内， 不同的土质会产生不同的土体强度，碎石桩在使用过程中的桩径往往受工程地质 条件的影响。因此，在处理软土地基时，工程中所应用的不同桩径碎石桩，使得 原本强度不均匀的天然地基，处理之后变成了强度比较均匀的碎石桩复合地基， 从而减小了整个地基的不均匀沉降。 ( 3 ) 抗剪性能和排水效果提高。复合地基抗剪性能和排水效果的提高主要体 现为两个方面，一方面，与天然地基相比，碎石桩本身所具有的抗剪强度要远大 ：一干天然地基中软土所具有的抗剪强度，同时，软土与碎石桩组合过程j j 整体，其 抗剪强度与天然地基相比，也有着相当大的增加，这就使得复合地基的抗剪性能 得以显著改善，更有利于提高地基的稳定。另一方面，碎石桩成形后性能良好的 碎石来替换掉处理的地基土，因为，提供了孔隙水的水平渗透点，大大缩短了孔 基于圆孔扩张理论顶部加箍碎石桩承载力计算 隙水的渗流路径，是粘性土地基中一个良好的排水通道，会起到加快粘土排水固 结的作用。由于碎石桩的透水性较好，因此振冲碎石桩复合地基的排水性能也得 以改善，这为加速软土地基固结，减少地基的工后沉降提供了重要条件。 在碎石桩使用越来越广泛的今天，上面所描述的几点加固效果也是得到了大 量工程实践的验证【3 1 。碎石桩是一种“多快好省加固软土地基的方法，与传统 的预制混凝土桩相比，它不需钢筋、水泥和木材，在取材上的方便，为其广泛应 用提供了前提，且在成桩过程上，碎石桩比预制混凝土桩施工更为简单，造价也 更低廉；与砂井等其它排水固结法相比，不需要预压的碎石桩加固周期更短；更 为重要的是该方法经历了将近半个世纪的发展，积累下大量丰富的工程实践经 验，在设计、施工以及质量控制上，碎石桩加固技术已是日臻成熟，值得大力推 广和应用。 1 2 3 碎石桩极限承载力传统计算方法 碎石桩通过挤密效应、置换效应、以及加速排水效应来加固软粘土地基，这 类散体材料桩在提高地基土承载力、减少变形和增强抗液化性方面都有着十分显 著的作用。与柔性桩、刚性桩等粘结材料桩不同的是，碎石桩主要依靠周围土体 的“围箍 作用来保持其形状并承受荷载。因此，碎石桩的承载能力除与桩身材 料的性质及其紧密程度有关外，主要取决于桩周土体的侧限能力。在荷载作用下， 碎石桩的存在将使桩周土体从原来主要承受垂直方向作用力的状态改变为主要 碎石桩复 ( 1 2 ) 出桩侧土 坝上等：1 蔓论文 体所能提供的侧向极限应力仃。基于这一思路，一些以侧向应力为计算目标的 传统方法相继提出。 1 2 2 1w 0 n g ( 1 9 7 3 ) 计算式 1 9 7 3 年，w o n g n 钉通过计算挡土墙上被动土压力来计算桩周土体的侧向极限 应力，得到了桩的极限承载力计算公式为： 驴c 和。忆。同时( 4 5 0 + 爿 3 ， 式中：七。一桩侧土被动土压力系数； 仃，一桩侧土体所受荷载； c 。一桩侧土不排水抗剪强度； 9 。一桩体内摩擦角。 这种计算方法认为桩侧土体的侧向极限应力即为臌胀区土体的被动土压力， 不过由于在计算被动土压力时，么看有考虑桩体和土体的自重应力，带来误差。 1 2 2 2h u 曲e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) 计算式 h u 曲e s 和w i t h e r s 【1 5 - 1 6 】根据碎石桩顶部发生臌胀这一破坏特征，运用极限平 衡理论分析，建议用下式计算单桩的极限承载力风： p p f = ( 就+ + 2 气) t a n 2 ( 4 5 。+ 要) ( 1 4 ) 式中：一初始原位平均有效应力； 一孔隙水压力。 从原型观测资料分析认为： + = 2 乞( 1 5 ) 同样在简化取= 3 8 0 的情况下，单桩的极限承载力计算式可表示为： 夕d f = 2 5 2 c 。 ( 1 6 ) h u 曲e s 和w “h e r s 计算法，是基于极限平衡理论结合原型观测分析所获得的 半经验公式，然而由于该法没有考虑桩间土上荷载的作用，在任何情况下计算所 得的侧向极限应力与土体不排水抗剪强度比值恒定( 仃。= 6 c 。) ，因此小适用于所 有的地质情况。 7 基于网孔扩张理论顶部加箍碎石桩承载力计算 1 2 2 3b r a u n s ( 1 9 7 8 ) 计算法 b r a u n s 【17 】( 19 7 8 ) 计算法是为计算碎石桩承载力而专门提出的，其原理及计 算式也适应于一般散体材料桩情况。此法在计算过程中忽略桩土间摩擦力、土体 环向应力以及桩土自重。b r a u n s 认为，在荷载作用下，碎石桩桩体产生膨胀变 形。桩体的膨胀变形使桩周土进入被动极限平衡状态，根据土体的被动破坏模式 可得到桩体极限承载力风，为 驴仃“瓯= ( ”鑫) ( 等+ 协2 i 7 ， 式中：6 一滑动面与水平面夹角； 在简化取盯。= 0 ，= 3 8 0 的情况下，单桩的极限承载力计算式可表示为： p 。f = 2 0 7 5 c 。 ( 1 8 ) 对于桩体的臌胀破坏长度，b r a u n s 认为： 捌伽f 4 5 0 呼】 ( 1 9 ) 式中：i l 一臌胀破坏深度( m ) ； d 一桩径( m ) 。 1 2 2 3 被动土压力法 被动土压力法通过对桩周土中被动土压力的计算来求解碎石桩所能受到的 侧限力。桩体承载力的表达式为： p 2 【+ 9 ) k 芦+ 2 气，i 卜印 ( 1jo ) 式中：r 一土的重度： z 一桩的鼓胀深度； g 一桩间土荷载； 凰。一桩周土的被动土压力系数； 缉p 一桩体材料被动土压力系数。 被动土压力法在计算过程中最大的优点在于考虑了土的自重影响，然而该法 在讨算中足以土重最大( 臌胀最深的z 处) 出的侧向应力值最为土自重的平均侧 应力的，这显然与实际情形存在差异，因此带来误差。 1 2 4 规范计算方法 对振冲桩、砂石桩复合地基承载力特征值的确定，建筑地基处理技术规范 8 硕士学位论文 【1 8 】j g j 7 9 2 0 0 2 ) 中规定，在进行初步设计时，可按下式估算： 厶= 嘛+ ( 1 一聊) 厶 ( 1 1 1 ) 式中：厶一复合地基承载力特征值( k p a ) ； 厶一桩体复合地基承载力特征值( k p a ) ，通过单桩载荷实验确定； 厶一处理后土体复合地基承载力特征值( k p a ) ，通按当地经验取值，无经 验时，可取天然地基承载力特征值； 肌一桩土面积置换率。 j 2 聊2 万 ( 1 1 2 ) “e 其中：d 一桩身直径； d 。一单桩等效圆直径。 对小型工程粘性土地基，在没有现场载荷试验资料时，可按下式进行初步设 计： 厶= 1 + 聊研一1 ) 】厶( 1 1 3 ) 式中：刀一桩土应力比，无实测资料时，根据原土强度大小，取2 4 。 规范规定，式( 1 12 ) 仅适用于由振冲法形成的散体材料桩，对于采用其他 工法成桩的复合地基，其承载力计算式则不能采用上式。因为采用振冲法处理的 散体材料桩，其桩土应力比一般稳定在2 5 3 5 之间【19 1 ，整体变化幅度较小，但 其他工法的桩土应力比不仅变化范围较大，而且受到诸多因素的影响，此时若继 续采用式( 1 1 2 ) ，刀值的波动将导致承载力在很大范围内变化，由此给工程设计 带来不便。 实践结果表明，上述各种传统方法在碎石桩承载力的计算中侧重点各有不 同，但也都存在着不少局限。针对每种方法存在的不足，国内外学者对传统计算 方法进行相关完善。同时，也有人基于新的思路，提出新的计算方法。基于圆孔 扩张理论的碎石桩极限承载力计算方法便是其中重要的一种。 1 2 5 基于圆孑l 扩张理论碎石桩承载力计算方法 圆孔扩张理论形成时间较早，19 7 2 年v e s i c 【6 5 1 便首次得到了圆孔扩张问题 的理论解，龚晓南【2 1 】在土塑性力学中对此做了比较详细的阐述。如今该理 论已广泛地应用于隧道、井筒、沉桩、复合地基等问题的应用分析，以及旁压试 验、静力触探试验等原位测试的机理分析。 用圆孔扩张理论求解碎石桩的单桩极限承载力时，桩周土体的受力过程被视 9 基于圆孔扩张理论顶部加筛碎石桩承载力计算 为无限土体内圆筒形孔扩张问题，在不考虑竖向变形的条件下，三维空间问题被 简化为平面轴对称问题。碎石桩在荷载作用下，桩体材料发生膨胀变形，对桩周 土体产生挤压作用，在均匀扩张力p 的作用下，圆孔周围土体从弹性变形状态进 入塑性变形状态。随着荷载增大，塑性区不断发展。当达到极限状态时，塑性区 半径为- ，圆孔半径由扩大到，u 。此时圆孔扩张压力极限值仃p 表达式为： 墅翌 仃胛= ( g + c c o t 妒) ( 1 + s i n 妒) ( 0s e c 9 ) 1 + 如妒一c c o t 妒 ( 1 1 4 ) 式中：g 一土体中初始应力； j ，一与塑性区平均体积应变有关的修正刚度指标。 上述圆孔扩张压力极限值乘以被动土压力系数玮p ，即为碎石桩单桩的极限 承载力表达式。 圆孔扩张理论在计算过程中假设破坏形式为全筒深度的均匀扩张，使桩周 土达到极限塑性环筒区，这与散体材料桩仅仅上端臌胀破坏的形态很不相同，因 此带来误差。 1 3 顶部加箍碎石桩概述 碎石桩常见的破坏的模式有三种：刺入破坏、桩体剪切破坏和鼓胀破坏。 ( a ) 刺入破坏 4 时( s 为桩间距，以 d c 为桩直径) ，最大沉降量不再发生变化。 s m u r u g e s a n 和k r a j a g o p a l 【2 9 1 为进一步研究加箍碎石桩这一新型地基加固 技术的机理，分别对单桩与群桩、加箍与不加箍以及不同加箍材料全长围裹的碎 石桩进行了现场载荷试验。根据载荷试验数据，作者认为：加箍碎石桩承载力的 提高与加箍材料的弹性模量以及碎石桩的布桩间距密切相关。作者根据h u 曲e s 计算式，给出了普通碎石桩的竖向应力计算方法，但未对加箍碎石桩的应力关系 做进一步分析。文末作者给出了加箍碎石桩的面积比计算公式： 当采用三角形布桩时， m o 卿 ( 1 1 5 ) 式中：d 一碎石桩直径； s 一碎石桩布桩间距。 当采用正方形布桩时， ( 1 1 6 ) 、l l 、 d s ， 687 2 0 i i 所 硕十学位论文 1 3 2 加箍碎石桩理论研究 杨有海【3 0 】以加筋土强度研究为基础，基于b r a u n s 法提出了加箍碎石桩极限 承载力的计算公式，但由于未考虑土体自重、加箍段桩侧摩阻力以及群桩作用对 复合地基产生的影响，以及b r a u n s 法假定的滑动面与实际情况存在差异，结果 存在一些误差。 陈庆【3 l j 结合加箍碎石桩在实际工程的应用，分析了加箍碎石桩臌胀破坏、 剪切破坏、刺入破坏三种破坏模式的作用机理，根据不同破坏模式下加箍碎石桩 的变形机理，推导了加箍碎石桩在臌胀破坏模式下的承载力计算公式，并对加箍 长度与提高承载力间存在的最优比进行了探讨。全文所进行的理论研究同样是基 于b r a u n s 法而提出，但在前人的基础上，作者进一步考虑了加箍段桩侧摩阻力 带来的影响，这点也与工程实际状况比较吻合。然而由于受b r a u n s 法计算原理 限制，在计算过程中，土体自重以及群桩效应等影响参数尚未列入分析之中，由 此在计算中带来了误差。在这些参数中，考虑群桩效应是十分重要的，实际工程 中，群桩作用产生的影响往往不容忽视。 k o u s i kd e b 等【3 2 】根据加箍碎石桩作用机理，采用弹性力学方法，建立了加 箍碎石桩力学模型。通过该模型，作者主要研究了桩体最大沉降量。，以及它 与归一化后的土工合成材料加筋层极限抗剪强度r ：之间的关系，文中指出： 随着r ：值的增大，桩体最大沉降量逐渐减小，整个加筋层对复合地 基沉降量的减少起着积极的作用，而且这种作用随着荷载的增大、桩体弹性模量 的增加表现的甚为突出； 复合地基的作用原理在于桩与土能共同承担荷载。在实际工程中，桩与 土各自承受荷载的差异( 桩土应力比) ，主要取决于两者刚度的大小，而正是由 于加筋碎石桩刚度更大，在桩土共同作用中发挥了巨大支撑作用，这成为阻止复 合地基沉降增大的关键。 s m u r u g e s a n 和k r a j a g o p a l 【3 3 】采用有限元方法，对荷载作用下加箍碎石桩 的承载力，从定性、定量的角度进行了深入研究。文中，作者给出了以下几点重 要结论： 与传统碎石桩相比，加箍碎石桩具有更大的极限承载力、更小的桩身竖 向变形以及侧向臌胀变形； 不同的加箍材料在提高碎石桩承载力方面起到的作用有很大差异，这主 要来自加箍材料弹性模量的不同，弹性模量越大，加箍碎石桩所受到的侧向约束