碎石桩及其复合地基承载力的分析

碎石桩及其复合地基承载力的分析
王志亮
(河海大学岩土工程研究所,南京　210098)
摘　要:介绍单碎石桩及其复合地基的承载力机理及计算方法,并对碎石桩复合地基的工程设计等方面提出了一些建议。

关键词:碎石桩;复合地基;模型试验;滑动圆弧法
中图分类号:T U4 文献标识码:B 文章编号:1005-8524(2000)04-04
B earing
C apacity Analysis for G ravel Pile
and Composite Foundation
WANG Zhi2liang
(Institute o f G eotechnical Engineering,Hehai Univer sity,Nanjing　210098)
Abstract:This paper introduces the bearing capacity mechanism and calculation methods of single gravel pile and related composite foundation,and presents s ome suggestion to the design of gravel pile composite founda2 tion.
K ey w ords:gravel pile;composite foundation;m odel test;sliding arc method
碎石桩因具独特的优点应用日益广泛,大量工程实践表明,软土地基用碎石桩加固后,承载力明显提高,沉降量也减少。

选择碎石桩处理地基,最关键的是碎石桩的承载力确定,桩的承载力越高,复合地基达到某一设计的承载力所需要的置换率就越低,地基处理费用在一定程度上就愈少。

因此能正确的理解和计算碎石桩及复合地基的承载力意义重大。

1　单碎石桩的承载力模型试验和分析
地基中有一根碎石桩,桩径为r,碎石间的内摩擦角为φp,桩顶上施加荷载P p。

假设地基是由各向同性的匀质粘性土组成,其不排水强度为C u。

Brauns[1]认为不断增大P p,当P p达到极限荷载时,碎石桩及上部土体将发生被动破坏,破坏区域为倒梯形体abcd(图1),其中ab,cd分别为滑动面。

他在作了一些假设,如桩的破坏长度h= 2rtgφ,φ=45°+φp/2;不计地基土和桩体的自重以及τM=0等的前提下,得出了碎石桩的极限承载力与粘性土的不排水强度成正比的结论。

为了研究单碎石桩承载力性状,作者设计了图2的试验装置,试验箱由钢板制成,筒直径350mm,高900mm。

桩长分为两组,一组桩长300mm,桩直径为60mm;另一组
图1　Brauns 计算模式中
桩体破坏图
图2　室内载荷试验图
桩长为500mm ,桩直径也为60mm 。

制模土
料为饱和粉质粘土,土样在试验前进行晾干、粉碎,然后分层铺填,调配一定的含水量,在一定的荷载下密封静置10天后备用。

砂石料不含杂质,稍有棱角,有关物理指标见表1。

表1　碎石料的物理性质指标及组成
指 标容 重γp /kN/m 3
粒径大小/mm
2～33～44～6碎石料
2710
4617%
3016%
2217%
将盛有土的试验箱启封,沿圆筒轴用外径60mm 的薄壁钢管钻一孔,用钻出来的土样试验,得出其无侧向抗压强度c u 为5812kPa 。

分批装入制桩用的碎石料,再用小锤夯实,这样就制成了一直径比较均匀的桩体,然后在桩顶上放上直径为40mm 的承压板,让圆筒在加荷框架下进行载荷试验,
采用慢速维持荷载法,每级荷载500
N ,自加
荷起的头一小时内,按时间间隔5、10、
15、30分钟分别测读一次沉降,以后再每隔30分钟测读一次,直至一小时内累计沉降小于012mm ,则开始施加下一级荷载。

当某级荷载下的沉降量在两小时后还不出现稳定值或沉降较大就停止施加荷载。

试验结果整理后,主要反映在P 2s 曲线上。

图3　碎石桩的室内载荷试验曲线
图4　试验前后桩体的
变形示意图
本试验共做桩长300mm 的5个,桩长500mm 的6个,图3是根据每次试验得出
数据在P 2S 坐标系中所对应的点绘出的典型曲线,横坐标表示外加荷载,纵坐标表示桩体在荷载下的位移,可得出:
(1)长桩和短桩的极限荷载几乎差不多,只不过二者的沉降量有所不同,故靠增加桩长来提高复合地基的承载力是有限的,我们要根据拟建的建筑物的允许沉降量来选择桩长,过分的增加桩长是无意义的;
(2)文献[3]认为提高置换率m 将增加
工程造价,是不经济的,他建议提高碎石桩
分担的应力。

我觉得这个看法有点片面,毕竟碎石桩的承载力是有限的,在有些工程中我们就要通过提高置换率m ,换长的碎石桩为短、稍粗的桩来提高复合地基的承载力,长短相结合,长的用来控制沉降量,不但经济而且提高了桩的利用率。

试验中还有x 光透视机拍摄了碎石桩在载荷试验前后的形状变化图4,当外加荷载超过桩的极限承载力时,桩的上部大约2～3倍的桩径的范围内碎石向两边挤出,桩体
发生破坏。

2　复合地基承载力分析和计算方法
碎石桩的散体材料使得其周围土体从原来主要是垂直受力状态,改为主要水平空间受力状态,它在地基中又构成了排水路径,起着排水井的作用,加快了固结速度,提高了桩间土体承载力。

采用碎石桩复合地基的目的,主要在于提高承载力和减少地基沉降量,因为通过碎石桩的加固,地基的平均压缩模量也增大了。

工程上一般根据载荷试验来确定复合地基承载力,这主要是通过变形来确定的,并规定取沉降S =01004～0101B (B 为载荷板的宽度)时所对应的荷载为承载力的标准值,但在工程中发现,在载荷板与碎石桩顶之间设不设砂垫层,测试结果相差较大,因为有垫层时,桩顶上压垫层迫使桩间土发挥承载力,测量值较无砂垫层时的大。

若按①式进行计算,这种计算方法要更接近实际:
P =mP p +(1-m )P s (1)式中的P 为复合地基作用荷载,P p 为
作用在碎石桩上的荷载,P s 为作用在桩间土上的应力,m =
d
2
d 2e
为面积置换率,d 为桩径,de 为等效影响圆直径,等边三角形布
桩时d e =1105s ,其中s 为桩的间距,矩形布桩时d e =1113
s 1s 2,s 1、s 2分别为纵向
和横向间距。

根据笔者积累的经验,测量复合地基的承载力一般要在施工后的2～3周内进行,桩体检测点应布置在桩的中心位置,桩间土的检测点应布置在由碎石桩组成的矩形平面或三角形的形心处,尽量多测几组取平均值,这样可减少误差。

若桩土置换率m 已知,则只要测得桩的承载力和桩间土的承载力就能按(1)式计算出复合地基的承载力。

如某工程碎石桩复合地基m =013,测试的部分结果如表2:
表2　某工程测试成果
测试部位统计个数N 6315界限值N 6315平均值标准差承载力
标准值/
kPa
复合地基承载
力标准值/kPa
桩
277～1411131145365土
27215～5313
0172
110
184
我们知道,地基承载力是从不同形状滑动面的极限平衡而推导得出的,如太沙基、迈霍耶夫、维锡克等都推导了各自的地基承载力计算公式。

至于碎石桩复合地基的承载力,我们也可借助Fellenius [2]推算地基极限承载力使得圆弧滑动面法进行计算,本处只介绍它的基本思想。

由于复合地基中的碎石桩和土体的物理和力学性质不同,因此分担的应力也不同。

设复合地基上的作用荷载为P ,A 为一根碎石桩所分担的面积,A p 为桩的截面积(图5),现分析单碎石桩及周围土体,进行圆弧滑动面计算。

假定圆弧在地基中某一深度处剪切面与水平面的夹角为θ,考虑碎石桩与土体都发挥剪切抵抗,则可得复合地基的剪切抗力公式为:
τps =(1-m )c u +m (aP +γp Z )cos 2
θ
tg φp a =P p P =
n
1+(n -1)m b =
P s P =
11+(n -1)m
式中的a 为应力集中系数,b 为应力分散系数,应力分担比n =
P p P s ,置换率m =A p
A
,c u 为土体的不排水强度,γp 为碎石桩的容
图5　
复合地基抗滑示意图
图6　圆弧法求碎石桩复合地
基承载力示意
重,水面下用浮容重,φp 为碎石桩摩擦角,砂土中碎石桩密程度好,故φp 要大些。

图6是滑动圆弧法示意,大荷载板宽B ,下为碎石桩加固区,假定大荷载板外有无碎
石桩都按天然地基强度计算,而且α、
β、θ、Z 、R 、L 、I 等都已知,则复合地基的承载力计
算步骤[7]
:求I 弧段碎石桩占的面积和碎石
桩在圆弧面上平均垂向应力,则可得碎石桩弧面抗滑力矩,再求左面L 圆弧段土占面积和左、右土圆弧抗滑力矩,然后求荷载产生的滑动力矩,最后根据滑动和抗滑力矩的平衡
得出复合地基的极限承载力。

3　结论和建议
(1)碎石桩的承载力与地基土的不排水强度成正比,当碎石桩桩顶荷载大于极限荷载时,一般在桩体上约两倍桩径范围内发生桩体破坏,所以在大型工程中建议在碎石桩的上部周围加钢筋水泥笼或钢管套,防止桩体横向破裂,这也可在一定程度上提高了复合地基的极限承载力;
(2)要增大碎石桩复合地基承载力,一般是采用提高碎石桩的承载力,所以在施工中要注意碎石桩的施工质量,主要是桩的密实度。

我们要把握好的填料量、密实电流和留振时间等;
(3)仅靠增加桩长来提高承载力的作用是有限的,盲目地增加桩长是不可取的,因为单桩的承载力受有效桩长的上限限制,我们应按建筑物允许沉降来确定桩长,仅仅从提高复合地基承载力的角度而言,同时增加桩身强度和提高置换率更为有效;
(4)滑动圆弧法计算碎石桩复合地基承
载力具有一定可行性的,这样可尽量不做或
少做现场载荷试验。

参考文献:
[1]Brauns.J (1978).Die An fangstraglast v on Schotteraulen
im bindigen Untergrund.Die ,Bautechnik ,8.
[2]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算(第二版)
[M ].
北京:水利电力出版社,1996.
[3]陈平.冷却塔碎石桩复合地基设计及地基处理效果
[J ].土工基础,1998,(2).
[4]张凤文.振冲碎石桩加固严重不均匀土岩组合地基工
程实践[J ].建筑结构学报,2000,(2).
[5]桩基工程手册编委.桩基工程手册[Z ].北京:中国
建筑工业出版社,1992.
[6]郑刚.水泥搅拌桩的地基承载力的研究[J ].岩土力
学,1999,(3).
收稿日期:2000-09-11
作者简介:王志亮(1969-),男,安徽枞阳人,工程师。