不同形式的结构层下褥垫层合理厚度的确定.doc

不同形式的结构层下褥垫层合理厚度的确定左磊，徐书平，霍晓苏，倪欣， (武汉工业学院 土木工程与建筑学院，武汉，430023) 摘要：以复合地基桩顶所铺设的褥垫层为研究对象，研究了刚、柔结构层（刚、柔性基础）下褥垫层的受力机理及破坏形式，导出了褥垫层在刚、柔结构层下的合理厚度的理论公式的并确定了其范围，最后通过实例说明了其合理性。 关键词：复合地基 刚性基础 柔性基础 褥垫层 垫层厚度 桩、土应力比 1 引言 复合地基是岩土工程界较为活跃的研究领域，也是目前我国学者研究得较多的方向，而复合地基又是目前复合地基中应用最广泛的一类。由于复合地基中桩身强度较高，为防止桩顶应力集中，保证桩土共同作用，通常在桩顶设置一定厚度的褥垫层。褥垫层技术是复合地基的一项核心技术。褥垫层有如下作用12：1）保证桩土共同承担荷载；2）调整桩土荷载分担比；3）减小地基沉降变形；4）减小桩顶对基础底面的应力集中。 从前面可以看出，褥垫层的作用与其厚度密切相关，褥垫层作用发挥的如何，关键在于其厚度的取值。当褥垫层厚度过小时，桩对基础将产生显著的应力集中，需考虑桩对基础的冲切，这势必导致基础加厚。此时桩间土承载力不能充分发挥，要达到设计要求的承载力，必然需增加桩数或桩长，这将增加工程成本。如果基础承受水平荷载作用，复合地基中桩可能发生断裂。其惟一优点是沉降量相对较小。当褥垫层厚度较大时，能够充分发挥桩间土的承载能力，桩对基础产生的应力集中很小，可不考虑冲切作用，基础受水平荷载的作用，不会发生桩的折断。但垫层厚度过大时，将导致桩土应力比等于或接近1，桩承担的荷载太少，复合地基失去了意义，此外，承载力提高幅度也有限，且建筑物沉降较大1。至于取值多少，如何取值？通常认为应从下面几个方面考虑3：1）桩间土的性质；2）桩端土的性质；3）置换率大小；4）垫层材料性质；而忽略了褥垫层上结构形式的影响，但是褥垫层上的结构层形式也是影响垫层厚度的重要原因之一。本文以复合地基桩顶所铺设的褥垫层为研究对象，分别研究了刚、柔结构层下褥垫层的受力机理及破坏形式，导出了褥垫层的最大厚度及分别在刚、柔结构层下的最小厚度的理论公式，最后通过实例说明了其合理性。 2 垫层的破坏模式 垫层的破坏模式是指桩体在上刺的过程中，垫层由桩顶向桩侧流动补偿和塑性区发展的方式4。从构造及受剪过程分析，桩与垫层的关系可以看成倒置的桩对持力层的作用，并认为桩顶与垫层完全粗糙56。桩对地基土的作用引起地基土破坏的形式主要有3种：整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏7。同样，复合地基桩刺人褥垫层引起褥垫层的可能破坏形式也有上述3种。褥垫层的整体剪切破坏，在褥垫层内部能够形成连续滑动面，延至垫层与桩间土结合处，褥垫层材料向桩间土强烈挤压。局部剪切破坏虽然在褥垫层的内部也形成了明显的破坏区，但滑动面未能延至垫层与桩间土结合处，褥垫层材料向桩间土的挤压较弱。如果在褥垫层内并未形成连续的滑动区，而是随着荷载的增加，桩将褥垫层压缩，发生的是近乎垂直的连续刺入，则产生了褥垫层的冲剪破坏。褥垫是通过破坏重组来实现其作用的。由于复合地基存在应力集中，桩顶应力较大，桩间土应力较小。 3最大厚度的确定 碎石垫层发生整体剪切，破坏过程遵循滑移线场理论。图1中，对数螺线与基底相切或相离，破坏模式符合Terzaghi模式，即：桩刺人时在桩顶形成弹性楔体( )，三角形底角为 (垫层内摩擦角)，压力增大时，在弹性楔体四周形成径向剪切区(其边界为ABM，由对数螺线方程表示)和朗肯被动区(其边界为MN)；若桩顶与基底的距离记为 ，桩顶与对数螺线的水平切线间距离记为 ，则： 时，对数螺线与基底相切或相离，符合Terzaghi模式；而若 过大时，将导致桩土应力比等于或接近1，桩承担的荷载太少，复合地基失去了意义，此外，承载力提高幅度也有限，且建筑物沉降较大。 王年云8采用Terzaghi破坏模式研究了褥垫层最大厚度，并认为，承台底面与滑动面顶点相切时的垫层厚度是可取的最大值,故将 为褥垫层的最大厚度。 3.1 Terzaghi模式的解答 按照Terzaghi课题9(如图3),AD部分为对数螺旋线由图2可得初始向径 ， 为内摩擦角 对数螺旋线AD的方程为 （1） 曲线AB上距离OB最大的点应在对数螺旋线AD 上曲线上的某一点距离OB的距离可以表示为 （2） 令y 的导数 ，代入上式，得 （3） 4 最小厚度的确定 4.1 刚性基础下最小厚度的确定： 褥垫层的最大厚度已经确定， 而当 时，即小于发生Terzaghi破坏模式的破坏面厚度基础相对于褥垫层和地基土材料可考虑为刚性，则此时桩顶刺人褥垫层可采用Mandel与Salencon破坏模式(考虑刚性基底的影响)，如图3所示该模型中基底为刚性，褥垫层较薄，则滑动面的发展受到基底的限制，由文献9知Mandel与Salencon破坏模式可能发生该破坏模式的特点是滑动面完整，褥垫层材料滑动部分对桩间土有强烈挤压，接触面上产生较大凹陷，垫层材料流动补偿现象明 显10，对桩体与地基土之间的荷载分担有明显的均化作用。 4.2 MandelSalencon模式的解答 Mandel与Salencon破坏模式发生的条件是当土层下埋藏着粗糙刚性层且基底下土层的厚度较薄，地基破坏时的滑动面受到限制的情况。Mandel J与Salencon J利用塑性理论并借助于数值积分的方法，对粗糙刚性基底提出了极限承载力公式。复合地基一般要求桩端落入硬土层、桩间距尽量大，因此本文假定桩端土层坚硬，桩顶向垫层刺入，产生了极限平衡区并处于极限平衡状态，符合MandelSalencon破坏模式。 参考Mandel J与Salencon J对下卧层为刚性层时的地基承载力问题的解答，本文给出垫层处于极限平衡状态时的桩间土平均应力 与桩顶平均应力 之间的关系式： （5） 式中， 为承载力系数，可根据垫层材料的内摩擦角值查图4确定； 分别为桩顶与桩间土平均应力。（5）式为条形基础情况下的解答，引入Meyerhof GG于1974年给出的圆形基础形状修正系数得到极限承载力计算公式为 （6） 式中， 为形状修正系数，角的函数，见图5。 由此可以得到极限状态时桩土应力比的计算式： ，可以根据设计人员所要求的桩土应力比n并结合垫层材料的内摩擦角来确定垫层的最小厚度 4.3柔性基础下最小厚度的确定： 4.3.1柔性基础下垫层的最小厚度的定性分析 以上为针对刚性基础下的复合地基，假设桩体和桩间土变形协调，桩顶沉降量与桩间土沉降量相同，与柔性结构层（如路堤等）下复合地基中的桩、土变形关系不同。柔性结构层下复合地基中的桩体压缩量比桩间土小，桩顶沉降小于桩间土沉降，从而使桩间土上部褥垫层的沉降也大于桩顶上部褥垫层的沉降，此差异沉降随距离桩顶平面高度的增加而减小。在某一高度处，此差异沉降减小为011，此高度即为褥垫层的最小厚度。 4.3.2柔性基础下垫层的最小厚度的定量分析 褥垫层的最小厚度应按照褥垫层顶面为均匀沉降面来确定，即由于褥垫层的调节作用，使褥垫层顶面各点沉降量相等，从而使其上的结构层均匀沉降。 设褥垫层上作用均布荷载 ，褥垫层厚度为h，垫层材料内摩擦角为 ，粘聚力为0，重度为 深层搅拌桩桩径为d，复合地基置换率为m，桩项面处桩土应力比为n。 取桩项上直径与桩相同，高度为h的褥垫层土柱为隔离体研究对象，如图6。 由于在褥垫层项面处隔离体与周围褥垫层沉降变形同步，隔离体侧面所受的侧摩阻力为0，而在褥垫层底面处隔离体与其周围褥垫层差异沉降最大，侧摩阻力也最大，极限值为 。隔离体侧面所受的摩阻力方向向下，大小由褥垫层顶面至底面依次增大，假设按线性分布，则隔离体平衡方程为 （7） 式中 为桩顶作用的分布荷载， 。 在大面积堆载下 。将（7）式化简，并求解可得褥垫层顶面处荷载均布时，顶面均匀沉降的褥垫层最小厚度计算公式： （8） 4工程实例 实例1 :某现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构，地下一层，地上十八层。采用CFG桩复合地基筏片基础，桩间距14m，桩长18m，桩径410mm，桩端持力层为细砂层， 。桩顶面处桩土应力比为 n=20，置换率为m=0.068 。按（4）式计算最大垫层厚度得： 。按MandelSalencon模式解答，得出最小厚度 。 实例2 某路堤工程设计参数：桩直径 d=0.5m，桩长6.5m，桩顶面处桩土应力比为n=4 ，桩间距为1.2m，梅花型布桩，置换率为m=0.160 。褥垫层采用砂碾压而成， 。按（4）式计算最大垫层厚度得： 。按（8）式计算最小垫层厚度得： 。 5结论与建议 本文通过把桩与褥垫层的关系看成倒置的桩对地基土的作用，探讨了刚、柔两不同结构层下褥垫层厚度理论上的取值范围。褥垫层厚度与桩径，桩间土的性质，置换率大小，垫层材料性质及桩土应力比有关。 由于垫层上基础形式的不同，导致桩间土的作用机理和发挥的作用不一样，柔性基础时充分发挥了桩间土的承载能力，刚性基础没有充分发挥了桩间土的承载能力，所以两者垫层厚度的取值范围不一样。 建议：若垫层上结构层为刚性，垫层厚度取值范围为150-400mm，若垫层上结构层为柔性，垫层厚度取值范围为300-600mm。参考文献： 1 阎明礼，张东刚。CFG桩复合地基技术及工程实践M。北京：中国水利水电出版社。2001，82-84，85-86。 2 张守宝，燕丽，邓长国。CFG桩复合地基承载机理及其应用J。工业建筑。2007,Z1：889-891，872。 3 张勇，李金武，紫民 。复合地基褥垫层合理厚度的确定J。山西建筑。2007,33（1）:116-117。 4 杨军，阎明礼，唐建中等褥垫层在复合地基中的应用J建筑科学1991(2) 5 池跃君，沈伟，宋二祥垫层破坏模式的探讨及其与桩土应力比的关系J工业建筑，2001，31(11)：911 6 王年云复合地基上褥垫层设计的理论分析J建筑结构，1999，(12)：2426 7 Vesic A S.Analysis of ultimate loads on foundationJProcA