• 1015.20 KB
  • 6页

路堤荷载下碎石桩处理软基沉降计算.pdf

  • 6页
  • 当前文档由用户上传发布,收益归属用户
  1. 1、本文档共5页,可阅读全部内容。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领,认领后既往收益都归您。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
  4. 文档侵权举报电话:19940600175。
JournalofEngineeringGeology工程地质学报1004-9665/2015/23(3)050506DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2015.03.019路堤荷载下碎石桩处理软基沉降计算陈继彬赵其华彭社琴(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),环境与土木工程学院成都610059)摘要以沉降控制为目的的碎石桩复合地基,其沉降计算在设计、施工中具有重要地位。本文基于典型的桩土单元体模型,建立了复合地基体积压缩系数与复合地基弹性模量的关系,考虑施工中的时间因素及相应的固结度对沉降的影响,提出相应的沉降计算公式,并结合四川省遂-资高速公路软基变形监测的数据进一步验证其可行性。研究表明本算法计算值比实测沉降约大10%~20%。填筑过程中,计算沉降历时曲线与实测曲线拟合较好,更接近实测值;在此基础上,初步探讨了影响路堤荷载下碎石桩处理软基沉降变化的因素,得出桩径、桩间距对其影响较为明显。同时结合本例,建议布桩时桩间距与桩径比值最好控制在2~4之间。关键词碎石桩复合地基沉降计算桩间距桩径中图分类号:TU443,P642文献标识码:ASETTLEMENTEVALUATIONOFSOFTSOILFOUDATIONREINFORCEDWITHSTONECOLUMNDUETOEMBANKMENTLOADCHENJibinZHAOQihuaPENGSheqin(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,CollegeofEnvironmentandCivilEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059)AbstractCompositefoundationaimsatcontrollingsettlement.Settlementcalculationplaysanimportantroleinsoftsoilfoundationdesignandconstructionstages.Basedonthetypicalunitcellmodelofpilesandsoil,therelationshipbetweencompositefoundationcompressioncoefficientandelasticitymodulushasbeenestablished.Thefactorssuchastimeandconsolidationhavebeentakenintoconsideration.Thesettlementshavebeenevaluatedtoverifytheformulaproposedinthispaper.TheformulaisappliedtothesettlementdeformationobservationdataofthesoftgrounddistributedalongtheSuiningZiyangexpresswayinSichuanprovince.Theformulasfeasibilityisfurtherverified.Theresearchshowsthatthecalculationdataare10-20timeshigherthantheobserveddata.Duringthefillingstage,theresultcalculatedbytheproposedmethodisinaccordancewiththeobservedresultsoftheproject.Basedonthese,thepaperdiscussesprimarilyfortheinfluentialfactorsofthesettlementsuchaspilediameterandthepilespacing.Thebestratioofpilediameterandpilespacingisfrom2to4.KeywordsCompositefoundation,Settlementcalculation,Pilespacing,Pilediameter书收稿日期:2014-06-03;收到修改稿日期:2014-10-28.基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2011CB013501),长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0812)资助.第一作者简介:陈继彬(1987-),男,博士生,主要从事岩土工程方面的研究.Email:weizhishuiyu@163.com通讯作者简介:赵其华(1965-),男,教授,博士生导师,主要从事岩土工程、地质工程方面的研究.Email:zhqh@163.com. 506JournalofEngineeringGeology工程地质学报20150引言1基本假定采用碎石桩加固软土不仅能使地基承载能力提路堤长度为宽度的数倍至数十倍,甚至上百倍,高,同时加快了地基的排水固结速率。事实上,减小认为长度足够长。路基计算按平面应变问题考虑,地基沉降是多数工程中应用碎石桩复合地基的主要即取路堤中线为直线,且沿路堤中心线方向路堤土原因,故碎石桩复合地基在设计、施工中的沉降计算体性状不变。由于碎石桩在地基中成桩,使得路堤具有重要地位。中心线方向的土体力学性状不具均匀性,应用平面常用的碎石桩复合地基沉降量计算方法主要有应变来处理问题不再适用,因此本文采用桩土体单应力修正法、桩身压缩量法和复合模量法(龚晓南,元法(取路堤中线外一根桩及其影响范围内土体组2003)。应力修正法和桩身压缩量法只考虑了桩体成的同心圆柱体作为典型单元体进行分析,认为其和桩间土的荷载分担,没有考虑他们的相互作用。受力变形特征能代表碎石桩复合地基受力变形特征复合模量法是在等效应变条件下的推导结果,对于(王驰等,2013))进行复合地基沉降计算,使计算模基础是刚性条件下是合理的(易耀林等,2009)。为型在力学概念上更为合理(图1)。此,国内外不少学者基于不同的假设条件提出了考虑桩土位移模式(Alamgir,1996)、考虑桩侧摩阻力分布形式和中性点位置(杨涛,2000)、考虑路堤桩顶向上刺入量和桩端向下刺入量(易耀林等,2009)、考虑路堤填土的土拱效应及加固区桩、土间的荷载传递形式、碎石桩受压侧向位移模式(李海芳,2004;孙微微,2005;赵明华等,2013)以及考虑土的成层性(陈昌富等,2013)等方面对计算方法进行改进。同时,又有学者在现场地基变形分析(FDA图1碎石桩布设示意图法)(Loganathanetal.,1993)、室内模型试验、有限Fig.1Sketchoftypicalelement元模拟(Liuetal.,2003;Ambilyetal.,2007)的基础为方便分析和计算,碎石桩处理软土地基固结上开展了碎石桩复合地基沉降影响因素的研究,在沉降计算作如下假设(韩杰等,1992;邢皓枫等,此基础上提出一系列的简化计算公式。但是以上的2005;易耀林等,2009;赵明华等,2013):计算方法没有全面考虑固结时间和固结度对沉降的(1)复合地基中桩、桩周土都是均质的,忽略桩影响。考虑因素较为全面的三维数值模拟由于建模与桩之间的相互影响;(2)地基表面受连续均布的复杂、计算用时长、参数选取困难等原因,普通设计荷载作用,加荷瞬时,荷载全部由孔隙水压力承担;人员短期内较难掌握(易耀林等,2009)。(3)路堤填土分为桩顶上部和桩间土上部内、外两碎石桩复合地基的沉降计算理论相较工程实际个土柱,沉降、应力在相同水平面的外(内)部土柱明显滞后,没有一个沉降计算方法能达成共识,被普土体相同(受力如图2a所示);(4)桩体沉降、应力遍接受。本文基于典型的桩土单元体模型,建立了在相同水平面相等,相同水平面的桩间土体沉降、应复合地基体积压缩系数与复合地基弹性模量关系力相等。桩土界面处桩土位移相等(受力如图2b(Chaietal.,2011),考虑施工中的时间因素及相应所示);(5)在竖向荷载作用下,桩土单元外侧边界的固结度对沉降的影响,提出相应的沉降计算公式,上的剪应力和径向位移均为零;(6)符合达西定律,并结合四川省遂-资高速公路软基变形监测的数据渗透系数和压缩系数为常数;(7)将桩周土整体作进一步验证其可行性,同时对碎石桩复合地基沉降为一个研究对象,井阻和涂抹作用影响可忽略不计;性状加以简述,以期对此类软基的沉降计算的研究(8)在影响范围内,桩、桩周土上荷载各自均匀分提供一定的参考依据。布,且共同分担总荷载。A=Ap+As(1)σsAs+σpAp=pA(2) 23(3)陈继彬等:路堤荷载下碎石桩处理软基沉降计算507n将m=Ap/A定义为面积置换率。S(t)=∑mvΔpiHiU(t)(4)2i=1式中,A为1根碎石桩承担的处理面积(m);式中,S(t)为沉降量(m);Hi为加固区软基深度22Ap为单桩截面积(m);As为加固的土体面积(m);(m);Δpi为荷载增量(kPa);U(t)为加固区平均σs为桩间土所受应力(kPa);σp为桩所受应力固结度;mv为加固区体积压缩系数;n为按分层综(kPa);p为桩、土所受总荷载(kPa);τ为桩侧阻力合法对加固区土层划分的层数。(kPa)。式(4)固结度U碎石桩复合地基固结计算可按式(5)简化(陈继彬等,2015):8π219π2-·(Crst/d2e)-·(Crst/d2e)2U=1-e4+e4+…+d[2(9)]π8π219π2-·(Cvp(1-m)2·t/H2)-·(Cvp(1-m)2·t/H2)×1-e4+e4+…[2(9)]π(5)式中,U为加固区平均固结度;t为固结时间(d);cvp、crs分别为桩(垂向)、桩周土(径向)固结系数2-1(m·d);de为碎石桩等效影响直径(m);de=ηs;m为面积置换率;H为软土层总厚度(m)。3算例31研究区工程地质概况遂(宁)—资(阳)高速公路位于川东隆起沉降盆地山地大区中Ⅲ3区—盆中构造剥蚀方山丘陵区(江宇等,2010)。全长约124870m,路宽245m,填筑高度为5~10m。分层填筑、分层压实,路堤填筑图2桩顶上部填土受力计算示意图(a)过程中每层松铺0.5m,压实厚度不超过0.3cm。路和加固区微单元受力示意图(b)堤填土宽度每侧宽于填层设计宽度0.5m。Fig.2Diagramofstresscalculationoffillingupperpiletop(a)总体地势北西高南东低。区域软土地层具有以andunitcellmodelofpilesandsoil(b)下层理构造(陈继彬等,2015):①第四系全新统冲al+pl洪积层Q4为高液限黏土(CH),埋深05~3m,黄2沉降计算公式修正褐-灰褐色,湿-饱和,软塑;②第四系全新统沼泽沉f积层Q4低液限黏土(CL),埋深3~9m,褐红色、褐Chaietal.(2010)对复合桩基提出一种沉降计黄色,湿,软可塑。沿线路方向软基在山包间间隔分算简式,建立了复合地基体积压缩系数公式:布,呈槽状、坡状或近似锅底状起伏发育(Chenet1al.,2012),是较为典型的山区沟谷型软土。地基处m=vEi(1-υi)(1+ei)σavi理方式为碎石桩,正三角形布设,间距15m,处理深m+(1-m)(1+υi)(1-2υi)λi度以软土层厚度为设计标准。(3)采用沉降板进行地表沉降监测,底座为50cm×式中,mv为加固区体积压缩系数;Ei为弹性模量50cm×3cm的钢板,Φ40mm的钢管作为测杆,观测(MPa);υi为泊松比;ei为初始孔隙比;σavi为平均仪器为精度2mm+2PpmTopconGTS311型全站仪。有效应力(kPa);λi为e-lgp曲线斜率。层理结构示意图(图3)。软土物理力学性质(表依此,考虑时间因素及相应固结度进行修正的1)。表2为与碎石桩有关的参数。碎石桩复合地基加固区在各固结时刻的沉降公式32沉降计算结果对比为:监测元件自埋后收集了较为丰富的数据。表3 508JournalofEngineeringGeology工程地质学报2015略复合地基中桩体的存在,计算沉降比实测值约大30%左右。如图4所示,填筑过程中,本文提出方法计算所得沉降历时曲线与实测曲线拟合较好,在填筑过程中,能够较好反映填土荷载对沉降的影响,更为接近实测值。图3软土路基地层结构示意图Fig.3Theschematicdiagramofsoftsoilbedding表1软土物理力学参数Table1Physicalandmechanicalparametersofsoftclay参数CLCH含水率ωo/%26.2837.8图4路中地表沉降曲线(K9+550)-3密度ρo/g·cm1.961.78Fig.4Variationofgroundsettlement孔隙比eo1.281.07inmiddleofroad(K9+550)液限wL/%43.5752.172-1固结系数Ch/m·d0.030.024讨论塑限wp/%18.2920.63压缩模量Es/MPa5.763.64(1)沉降计算引入加固区体积压缩系数,能更黏聚力c/kPa33.2910.62好地反映土体体积压缩情况,并考虑时间因素和固摩擦角φ/(°)14.766.99泊松比υ0.350.35结度的影响。公式中固结时间根据现场填筑情况进行选取,假定渗透系数随土体固结保持不变,并且由于现场取样条件、取样数量等因素限制,计算所用参表2与碎石桩有关的参数数取室内试验所测得的平均值,可能会影响最终的Table2Parametersrelatedtostonecolumn计算结果。参数范围基础数据(2)改变桩间距、桩径,相当于改变了碎石桩影碎石桩间距l/m1.20~1.601.50响半径及桩土置换率和应力比,对软土地基沉降影等效直径de/m1.26~1.681.58碎石桩直径d/m0.500.50响相对较大。基于计算公式结果与实测数据结果较加固面积A/m21.44~2.412.14好的拟合情况,仅从公式(5)入手探讨桩长、桩间距面积置换率m/%8~139.20对软土地基沉降的影响,研究中分别改变公式(5)井径比N2.52~3.363.15中桩间距(s)、桩径(d),其他参数不变,绘制成图5-1固结系数Cp/m·d0.5(计算中相关土性参数、碎石桩参数按表1、表2选变形模量E/MPa20取,以期具有一定区域代表性)。泊松比υ0.25由图5可知,随着桩径的增加,复合地基沉降在为观测所得总沉降。同时用复合模量法、应力修正逐渐减小。当桩间距为17m时,桩径从03m增加法进行对比计算,计算所得数据绘制成图4(示例到17m,沉降表现为非线性下降,降幅约80%,因K9+550断面)。此,桩径的适当增加能有效控制复合地基沉降量。从表3可知,3种方法计算所得的总沉降量均但当桩径不变,沉降随桩间距增大而增大。桩大于实测值,本文算法比实测值约大10%~20%。径为05m,桩间距s<12m时,沉降随桩间距增大复合模量法由于采用等应变假设,而应力修正法忽线性增大,变化迅速;当s>12m,沉降增加缓慢,几 23(3)陈继彬等:路堤荷载下碎石桩处理软基沉降计算509表3沉降计算结果对比Table3Resultsofsettlementcalculation软基厚度/m计算沉降量/m相对误差/%加固填筑加固观测沉断面深度/m高度/m范围/m本文复合应力降量/m本文复合应力CHCL方法模量法修正法方法模量法修正法K2+6751.74.06.561.790.1080.1220.110.0950.120.220.16K9+5200.57.08.071.580.1190.1390.130.1020.150.270.19K9+5500.87.08.581.790.1900.2520.230.1750.090.280.23K42+9752.57.311.511.51.890.1450.1800.170.1340.100.270.22K53+1501.58.510.5111.890.2360.2940.270.2050.130.300.25EK0+4202.08.211101.580.1670.1930.170.1360.190.290.22EK0+5202.08.611101.580.1770.2040.180.1480.190.320.25有重要地位,文章修正了已有的沉降计算方法,选用西南地区高速公路软基变形实测数据进行验证,根据研究成果对碎石桩复合地基沉降的计算提供一种参考性建议。(1)基于典型的桩土单元体模型,建立了复合地基体积压缩系数与复合地基弹性模量的关系,考虑施工中的时间因素及相应的固结度对沉降的影响,修正相应的沉降计算公式。(2)修正公式计算值比工程实例的观测值约大10%~20%。填筑过程中,计算沉降历时曲线与实测图5桩径(桩间距)—沉降图曲线拟合较好,尤其是在填筑前期,很好地反映填土Fig.5SettlementVS.d(s)荷载对沉降的影响,更接近实测值。(3)当桩间距、桩长不变,桩径从03m增加到乎为一条直线。桩间距从05m增加到17m,沉降17m,沉降量非线性减小,约80%。量约增大70%。(4)当桩径、桩长不变,桩间距s<12m时,沉降当桩距、桩长不变,增加桩径,使桩与加固区接随桩间距增大线性增大,曲率较陡;当s>12m,沉触面增大,桩间土受到周围桩的“遮拦作用”(孙微降增加缓慢,曲率较缓。桩间距从05m增加到微,2005)而处于高应力状态,提高了桩间土的抗挤17m,沉降量约增大70%。能力,从而使得地基承载力得到了提升,地基沉降量(5)考虑布桩时合理的s、d的比值,结合本例,减小,故沉降随桩径变化曲线(图5)。大约在2~4之间。当桩径、桩长不变,增加桩间距,桩周土抵抗桩侧向变形的能力明显,荷载逐渐由桩体向桩间土转移,减小了复合地基中桩体所承担的荷载,增大了桩参考文献间土所承担的荷载(曹海莹等,2005),加上桩的侧AlamgirMP.1996.Deformationanalysissoftgroundreinforcedby摩阻力对它的挤密作用,故复合地基的沉降表现为columnarinclusions[J].ComputersandGeotechnics,18(4):非线性趋势。267~290.在布桩时应尽量使s/d的比值控制在一定的范AmbilyAP,ShaileshR.2007.Behaviorofstonecolumnsbasedon围内。结合本例,大约在2~4之间。experimentalandFEManalysis[J].JournalofGeotechicalandGeoenvironmentalEngineering,133(4):405~415.CaoHY,DouYM,LiuXY,etal.2005.Analysisandstudyon5结论influentialfactorsofsoftsoilsubgradesettlement[J].JournalofHebeiUniversityofTechnology,34(6):82~86.碎石桩复合地基在设计、施工中的沉降计算具ChaiJC,CarterJP.2011.Deformationanalysisinsoftground 510JournalofEngineeringGeology工程地质学报2015improvement[M].Springer.consolidationofgravelpilecompositefoundation[J].ChineseChaiJC,PongsivasathitS.2010.AmethodforpredictingconsolidationJournalofGeotechnicalEngineering,27(5):521~524.settlementsoffloatingcolumnimprovedclayeysubsoil[J].FrontiersYangT.2000.SettlementanalysisofcompositegroundimprovedbyofArchitectureandCivilEngineeringinChina,4(2):241~251.flexiblefloatingpilesunderroadembankment[J].ChineseJournalChenCF,ZengDM,WuYQ,etal.2013.SettlementofreinforcedofGeotechnicalEngineering,22(6):741~743.regionofcompositefoundationunderloadsofembankmentinYiYL,LiuSY.2009.Settlementcalculationmethodofcompositestratifiedsoil[J].Hydrogeology&EngineeringGeology,40(1):foundationunderembankmentload[J].EngineeringMechanics,2658~63,72.(10):147~153.ChenJB,ZhaoQH,PengSQ.2015.ResearchoncriticalplacementZhaoMH,HuZ,ZhongL,etal.2013.Stressanalysisofpilesoilheightofgravelcolumnreinforcedsoftsoilfoundations[J].RockcompositegroundconsideringsoilarchingeffectofhighandSoilMechanics,36(2):470~476.embankment[J].JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandChenJB,ZhaoQH,PengSQ,etal.2012.CorrelationanalysisbetweenTechnology),44(5):2047~2051.thetreatingdepthofPVDandthesubsidenceofsoftground曹海莹,窦远明,刘熙媛,等.2005.影响软基沉降因素的分析与研foundationofexpressway[J].AdvancedMaterialsResearch,447:究[J].河北工业大学学报,34(6):82~86.1531~1536.陈昌富,曾德淼,吴燕泉,等.2013.考虑成层土路堤荷载下复合地基GongXN.2003.Composiefoundationtheoryandapplicationin加固区沉降计算[J].水文地质工程地质,40(1):58~63,72.engineering[M].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,陈继彬,赵其华,彭社琴.2015.碎石桩处理软土地基临界填筑高度2003.的研究[J].岩土力学,36(2):470~476.HanJ,YeSL.1992.Simplifiedmethodforsettlementpredictionofpile龚晓南.2003.复合地基理论及工程应用[M].北京:中国建筑工业groupsconsideringskinfrictionsoftingandendresistancehardening出版社.[A]∥ProceedingsoftheThirdConferenceonFoundationTreatment韩杰,叶书麟.1992.考虑井阻和涂抹作用碎石桩复合地基固结度计[C].Qinhuangdao,351~358..算[A]∥第三届全国地基处理学术讨论会论文集[C].秦皇岛,JiangY,ChenX,LiJJ.2010.TheagpsofthesoftgroundinSichuan351~358.division[J].ScienceandTechnologyWestChina,21(9):10~11.江宇,陈曦,李娟娟.2010.浅谈四川软弱地基分区[J].中国西部科LiHF.2004.Studyofsettlementcomputationmethodofcomposite技,21(9):10~11.foundationunderembankment[DoctorateThesis][D].Hangzhou:李海芳.2004.路堤荷载下复合地基沉降计算方法研ZhejiangUniversity.究[博士学位论文][D].杭州:浙江大学.LiuSY,JingF.2003.Settlementpredictionofembankmentswithstage孙微微.2005.路堤荷载下碎石桩复合地基沉降计算方法研constructiononsoftground[J].ChineseJournalofGeotechnical究[博士学位论文][D].南京:南京林业大学.Engineering,25(2):228~232.王驰,徐永福,庞建国,等.2013.路堤荷载下砼芯水泥土搅拌桩复合LoganathanN,BalasubramaniamAS,BergadoDT,etal.1993.地基现场试验研究[J].岩土工程学报,35(5):974~979.Deformationanalysisofembankment[J].JournalofGeotechnicae邢皓枫,龚晓南,杨晓军.2005.碎石桩复合地基固结简化分析[J].Engineering,119(8):1185~1206.岩土工程学报,27(5):521~524.SunWW.2005.Studyofsettlementcomputationmethodofcomposite杨涛.2000.路堤荷载下柔性悬桩复合地基的沉降分析[J].岩土工foundationunderembankment[DoctorateThesis][D].Nanjing:程学报,22(6):741~743.NanjingForsetryUniversity.易耀林,刘松玉.2009.路堤荷载下复合地基沉降计算方法探讨[J].WangC,XuYF,PangJG,etal.2013.Applicationofconcretecored工程力学,26(10):147~153.DCMpilesinsoftsubgradeimprovementofexpressways[J].Chinese赵明华,胡增,张玲,等.2013.考虑土拱效应的高路堤桩土复合地基JournalofGeotechnicalEngineering,35(5):974~979.受力分析[J].中南大学学报(自然科学版),44(5):2047~XingHF,GongXN,YangXJ.2005.Simplifiedanalysisfor2051.