劲性搅拌桩承载力的主要影响因素分析和计算公式探讨

1、第38卷第1期河南大学学报(自然科学版V ol.38 N o.1 2008年1月Journal of H enan U niver sity(N atur al ScienceJan.2008劲性搅拌桩承载力的主要影响因素分析和计算公式探讨盛桂琳,鲁书甜,鲍鹏,赵捷(河南大学土木建筑学院,河南开封475004摘 要:对劲性搅拌桩承载力影响因素进行了分析.根据试验和有限元分析结果得出了劲性搅拌桩的最优含芯率和最佳芯桩长度比,在此基础上对目前单桩承载力计算公式提出了几点建议.关键词:劲性搅拌桩;承载力;影响因素;计算公式中图分类号:T U473.11 文献标识码:A文章编号:1003-4978(2

2、00801-0096-05The Effect Factors on the Bearing Capacity and CalculationFormula of Reinforced Mixing PileSH ENG Gui lin,LU Shu tian,BAO Peng,ZH AO Jie(College o f Civil and A r chitectur al,H enan Univ er s ity,H enan K aif eng475004,ChinaAbstract:T he effect facto rs on the bear ing capacity of rein

3、fo rced mix ing pile was discussed and simplified.It also founded that an optimum cor e pile length and an ar ea r eplacing ratio of the r einforced mixing pile had been ex it ed on the basis of the results o f test and finite element,then so me sug g estions w ere made o n the calculation fo rmula

4、on pile bea ring capacity.Key words:reinfor ced mix ing pile;bearing capacit y;effect factor s;calculat ion for mula0 引言复合材料桩是利用大的比表面积来提供摩阻力,同时利用高强度的芯承担荷载,在理论上是一种经济有效的地基处理方法.劲性搅拌桩复合地基已被试验证实为软土地基处理中经济有效、施工便利的一种新型桩1,近些年已开始在一些工程中得到应用.在确定劲性搅拌桩复合地基承载力时,对大型工程或者特别重要的工程必须进行试桩,通过荷载试验确定其复合地基承载力,其他情况下一般是由规范推荐的

5、公式进行估算.在估算时,选择合理的估算公式和参数非常重要,公式和参数的选择是否合理对计算结果的影响非常大.本文从劲性搅拌桩的破坏模式出发,通过对试验数据和有限元计算数据的分析总结,得出影响劲性搅拌桩承载力的主要因素,并对现有规范推荐的劲性搅拌桩单桩承载力估算公式提出几点建议.1 劲性搅拌桩破坏模式分析劲性搅拌桩由水泥搅拌桩(湿法和同心插入其中的钢筋混凝土芯桩组成,经有限元分析,其破坏模式有以下三种:1芯桩向水泥土桩中刺入.原因是芯桩长度过短,芯桩桩端处传递的荷载大于无芯段水泥土桩局部抗压强度.2劲性搅拌桩无芯段水泥土桩被压碎.原因是无芯段水泥土过长,水泥土强度过低,其截面轴压承载力低于芯桩端截

6、面的轴力.3劲性搅拌桩整体向桩端土中刺入.原因是芯桩和水泥土桩强度适中,保证了二者的共同工作.该破收稿日期:2007 08 16基金项目:河南省科技厅科技攻关项目(0324240019作者简介:盛桂琳(1978-,女,河南驻马店人,硕士,主要从事结构工程研究.E mail:sheng guilin.盛桂琳,等:劲性搅拌桩承载力的主要影响因素分析和计算公式探讨97坏模式可使桩侧摩阻力充分发挥,从而获得较高的承载力,是理想中的破坏模式.为了避免前两种破坏模式的发生,应结合不同土质,选择合适的芯桩长度、提高无芯段水泥土桩强度.2 劲性搅拌桩承载力主要影响因素2.1 截面含芯率对劲性搅拌桩承载力的影响

7、劲性搅拌桩截面含芯率m是指混凝土芯桩截面积A1与水泥土搅拌桩截面积A的比,即m=A1/A.为比较截面含芯率对单桩承载力的影响,我们收集了天津大学六里台小操场北侧试验数据2-4、昆明谷堆村加芯搅拌桩试验数据5和劲性搅拌桩复合地基有限元分析数据6-7,并对三组数据进行了分析(如表1.其中,m=0表示水泥土搅拌桩,m=1表示钢筋混凝土灌注桩.表1 不同截面含芯率的单桩承载力比较T ab.1 Compar ison of bea ring capacity in differ ent co re r eplacement rat ios数据来源水泥搅拌桩桩长L/m直径/mm钢筋混凝土桩桩长l/m上端或

8、下端直径/mm截面含芯率m平均极限承载力/kN8.5500-0.0160天津大学8.5500 5.0180,1800.13450六里台8.5500 5.0250,1000.25700小操场8.5500 5.0300,1000.36650试验8.5500 5.0400,1000.64600-8.5500 1.05008.0500-0.0330昆明8.0500 3.5180,1800.165580谷堆村8.0500 6.0240,2400.293946试验-8.0500 1.056610.0500 6.0240,2400.293>8078.5500 6.0240,2400.29386010.

9、0600-0.0250-10.0600 1.0700在没有试桩的情况下,劲性搅拌桩的最优截面含芯率可采用上述经验值.若工程有试桩情况,为便于工程应用,结合试验结果,建议最优含芯率m采用下式求得8:m=4 s(l i s i/D+ p q p1000f ck.(1式中,l i为桩长范围内第i层土计算侧阻力的厚度,m;D为劲性搅拌桩的直径,m;q s i为桩长范围内第i层土的侧阻力特征值,kPa;f ck为桩端处地基土承载力特征值,kPa;q p为芯桩混凝土轴心抗压强度标准值,MPa; s为劲性搅拌桩桩周侧阻力调整系数,不小于1.2; p为桩端天然地基承载力折减系数,当无可靠经验时可取0.40.6

10、,承载力高时取低值.因为在桩长一定时,芯桩直径过大,水泥土将发生塑性破坏,所以会造成混凝土的强度并未充分发挥,劲98河南大学学报(自然科学版,2008年,第38卷第1期性搅拌桩已达到极限承载力的情况.因此,在保证劲性搅拌桩桩体不被压坏且该桩又具有较高承载力的前提下,求得的m值即是最优的截面含芯率.以天津大学六里台小操场的试验为例,对直径为500m m,长为8.5m的搅拌桩,以 s=1.2, p=0.5计算其最优截面含芯率,得m=0.262,即最优直径为256m m,与表1中的试验数据吻合较好.同样,对直径为500mm,长为10.0m的搅拌桩计算其最优截面含芯率,得m=0.297,即最优直径为2

11、72m m.由表2中的试验数据知,芯桩直径为400m m,大于272mm,故芯桩的材料强度并未充分发挥.表2 不同芯桩长度单桩承载力的比较T ab.2 Compar ison of bea ring capacity in differ ent lengths of the cor e pile数据来源水泥搅拌桩桩长L/m直径/mm钢筋混凝土桩桩长l/m上端及下端直径/mm芯桩长度比L/l平均极限承载力/kN昆明8.0500 3.5180,1800.41580谷堆村8.0500 6.0240,2400.75946试验-8.0500 1.056610.0500 6.0240,2400.6>

12、8078.5500 6.0240,2400.7186010.0600-0.0250-10.0600 1.07002.2 芯桩长度对劲性搅拌桩承载力的影响由表2的数据分析结果可见:在其他参数不变的条件下,仅提高芯桩长度与搅拌桩长度之比(L/l可以提高劲性搅拌桩的承载力,但L/l和承载力不是线性的关系,当L/l达到一定值后,对承载力的提高效果不明显.另一方面,如果芯桩过长,由于桩下部的水泥土强度较低,则可能刺穿外芯的水泥土桩.因此,结合试验和有限元分析结果,建议劲性搅拌桩最优芯桩长度比取0.60.75.2.3 桩端土性质对劲性搅拌桩承载力的影响建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002中规定,桩应

13、选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层.由于一些软弱地基的软弱土层厚度很大,桩端并未到达硬土层,而是处在承载力稍高的可塑或者软塑土层.若桩端土层是硬土层,则桩端阻效应很大,荷载很大部分直接通过劲性搅拌桩传递至硬土层,桩间土承载力发挥很少;若桩端土层是软土层,桩间土承担较大的荷载.但桩端土的性质对桩的承载力的影响不是主要的因素.2.4 桩长对劲性搅拌桩承载力的影响劲性搅拌桩复合地基承载力与桩长有关.桩体越长,桩顶的接触应力越大,桩体分担的荷载也越大,从而使整个复合地基承载力得到提高.但由于每个具体工程劲性搅拌桩的长度与具体场地和土层条件相关,桩长对桩间土承载力发挥影响的定量分析较难.2.5 水泥

14、土桩身弹性模量对劲性搅拌桩承载力的影响水泥土桩的桩身弹性模量与水泥掺量、龄期、桩身强度等因素有关.单桩承载力与桩身弹性模量并没有明显的关系,而在相同荷载作用下,桩身弹性模量越大,其沉降量越小.因此可以说,桩身弹性模量的提高,可有效减小单桩的沉降量,但并不能明显提高桩的承载力.盛桂琳,等:劲性搅拌桩承载力的主要影响因素分析和计算公式探讨993 承载力计算公式的探讨3.1 目前采用的计算公式目前,在劲性搅拌桩初步设计阶段,当无试验资料时,劲性搅拌桩竖向承载力采用下式估算9:R a =s u p !ji=1qs i al i + p q p a A p .(2式中,R a 为单桩竖向承载力特征值,k

15、N;q s i a 为混凝土预制桩周围第i 层土的侧阻力特征值,kPa;q p a 为桩端处地基土未经修正的承载力特征值,kPa;u p 为劲性搅拌桩周长,m ;j 为桩长范围内计算侧阻力的土层数;A p 为劲性搅拌桩截面面积,m 2.该式直接采用刚性桩的计算公式,而没有考虑截面含芯率m 和芯桩长度比L /l 对单桩承载力的影响.大量的试验和理论研究结果以及前文对劲性搅拌桩承载力影响因素的分析表明:劲性搅拌桩和刚性桩的荷载传递机理以及影响承载力的因素是有很大差别的.表3是根据公式(2计算所得的单桩承载力和由现场试验所测得的承载力值的比较结果.天津大学六里台小操场试验场地的土层由上至下划分为5层

16、:#杂填土,松散,厚1.4m;粘土,可塑,厚1.8m,q s =55kPa;%粉土,中压缩性,厚2.2m ,q s =48kPa;&粉质粘土与粘土,软塑-流塑,厚5.8m,q s =30kPa;粉质粘土,可塑,厚3.2m,q s =52kPa,q p =550kPa.昆明谷堆村试验场地的土层由上至下划分6层:#杂填土,厚1.1m;粘土,厚2.7m,q s =50kPa;%粘土,厚4.3m,q s =30kPa;&粉土,厚0.4m,q s =35kPa;粘土,厚1.4m ,q s =15kPa,q p =600kPa;(粘土,厚5.0m,q s =20kPa,q p =700kP

17、a.表3 试验值和公式理论计算值比较T ab.3 Compariso n o f tested and calculated value水泥土桩桩长L /m截面含芯率m 芯桩长度比0.2930.6>807688.571.17如果在劲性搅拌桩设计时,桩的截面含芯率取最优含芯率(可按(1式估算,芯桩长度比取最优的长度比(0.60.75,那么由表3可知,用公式(2所算的单桩承载力偏小,也就是说桩身强度不能充分发挥,造成材料的浪费,不经济.3.2 计算公式中应考虑的几点影响因素从上面的分析可知,在劲性搅拌桩复合地基承载力计算公式里面应考虑下面几方面主要因素对承载力的影响:1截面含芯率;2芯桩长度

18、比;3桩侧摩阻力.因此,在劲性搅拌桩设计时,可遵循两个原则:一是按最优截面含芯率设计,芯桩长度比可改变;二是按最佳芯桩长度比设计,截面含芯率可改变.由于劲性搅拌桩试验资料较少,而截面含芯率和芯桩长度比对承载力的影响程度又和桩长,土层性质等因素有关,具有一定的离散性.如何更合理的在劲性搅拌桩承载力计算公式中考虑含芯率和芯桩长度比的100河南大学学报(自然科学版,2008年,第38卷第1期影响程度有待进一步的试验研究和理论的探讨.4 结语劲性搅拌桩复合地基的承载力与截面含芯率、芯桩长度比、桩间土层性质、桩端土层性质、桩长、水泥土桩身弹性模量等因素有关.由分析可知,截面含芯率和芯桩长度比对单桩承载力影响程度很大,而且存在最优截面含芯率为0.250.3,若有试桩时可按公式(1求得,最优芯桩长度比建议取0.60.75.在劲性搅拌桩复合地基承载力计算公式中应考虑截面含芯率、芯桩长度比以及侧摩阻力对承载力的影响,在劲性搅拌桩设计时,可遵循两个原则:一是按最优截面含芯率设计,芯桩长度比可改变;二是按最佳芯桩长度比设计,截面含芯率可改变.然后根据试验和理论探讨确定每个影响因素的影响程度.参考文献:1龚晓南.复合地基M.杭州:浙江大学出版社,1993.2凌光容,安海玉.劲性搅拌桩的试验研究J.建筑结构学报,20