粉喷桩处理高速公路软土地基地基内附加应力及沉降计算分析_邱钰

Vol 118 No 11公 路 交 通 科 技2001年2月JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESE ARCH AND DE VELOPMENT文章编号:1002O 0268(2001)01O 0001O 05收稿日期:2000-02-25粉喷桩处理高速公路软土地基地基内附加应力及沉降计算分析邱 钰1,钱国超2,刘松玉1(11东南大学岩土工程研究所,江苏 南京 210096; 2.江苏省高速公路建设指挥部,江苏 南京 210004)摘要:考虑高速公路路基承受柔性荷载的特点,采用弹性力学中M indlin 解与Boussinesq 解联合求解柔性荷载下粉喷桩复合地基中及复合地基下卧层土中应力及沉降。

计算表明由于桩的作用,加固区的附加应力大大减少,而下卧层的附加应力有所增加,从而导致下卧层的沉降增大。

将此方法计算沉降与工程中常用计算方法及实测结果比较,Mindlin 解与Boussinesq 解联合求解法与实测能较好吻合。

关键词:粉喷桩;附加应力;复合地基沉降;Mindlin 解;Boussinesq 解中图分类号:TU433 文献标识码:ADJM Pile Treated Soft Clay Foundation on Express High way The Ana lysis of the Additional Stress in Composite Foundation and theSettlemen t of Composite FoundationQIOU Yu 1,QIAN Guo O chao 2,LIOU Song O yu 1(11Institute of Geotechnical Engineering Southeast University,Jiangsu Nanjing 210096,China;21E xpressway Construction Directing Office of Jiangsu Province,Jiangsu Nanjing 210004,China)Abstract:Considering the characteristic of expressway bearing flexible load,using Mindlin solution and Boussinesq solution of the elas -tic mechanic,the additional stress and settlement of composi te foundation are acquired 1The calculating results indicate that the stress is largely decreased in composite foundation and increased below composite foundation because of the pile action,which resul ts in the in -crease of the settlement below composi te foundation 1Compared wi th the test results and the results of other calculating method,the re -sults using above method are best agreement wi th the test resul ts 1Key words:DJ M ;Additional stress;Settlement of compound foundation;Mindlin solution;Boussinesq solution粉体喷射搅拌法(DJM 工法)是深层搅拌加固技术的一种。

它采用压缩空气将干燥雾状粉体固化剂喷入软土层中,通过钻头的强制搅拌,使固化剂和原位地基软土混合在一起,吸收软土中的水份,形成具有整体性、水稳性好和一定强度的柱状加固体,从而形成复合地基,提高地基的承载力。

由于它吸收土中水份,对含水量高的软土加固效果明显。

另外,它具有无振动、无噪声、无侧向挤压、无泥浆排出和施工简单方便的特点,它在国内外得到广泛运用。

我国于1983年引入此项技术,现在它已广泛的运用于铁路、高等级公路、市政工程、工业民用建筑等的地基处理中。

用粉喷桩加固软土地基中也存在某些问题:设计计算方法还不成熟,其中包括荷载传递性状、桩土共同作用机理、沉降计算方法、承载力计算方法等;对于实际工程而言,地基处理后,所关心的有两个问题,即地基承载力与地基沉降问题。

这两个问题是相关联的,往往地基承载力是由地基的沉降所控制,故对地基进行沉降的估算问题显得尤为重要。

本文将结合一高等级公路用粉喷桩进行处理的试验段试验数据进行地基内附加应力与分层沉降的探讨,旨在提出符合工程实际又简便快捷的沉降计算方法。

1地基内附加应力及变形计算地基的沉降计算往往归结为地基内附加应力计算问题,只有清楚的了解地基内附加应力的分布情况,才可能进行地基沉降的计算。

由于复合地基中的桩体属于柔性桩或半柔性桩,它与桩间土之间相互作用与刚性桩存在区别,加上粉喷桩体的刚度与施工工艺、土层性质等诸多因素有关,致使复合地基桩土间相互作用情况复杂。

目前,工程中对复合地基及下卧层附加应力的计算,常将复合地基加固区视为一整体,用应力扩散法或等效实体法计算复合地基下卧层的附加应力,加固区采用复合模量,视为一匀质体来计算[6]。

此假设没有考虑到桩顶及桩端的刺入变形,对于刚性承台下的粉喷桩复合地基沉降计算尚能反映实际情况,但对于公路路基柔性荷载下的粉喷桩复合地基变形计算就不能反映实际情况[3]。

本文利用弹性力学中Mindlin解与Boussinesq解联合求解柔性荷载下粉喷桩复合地基中及复合地基下卧层土中应力[1,2]。

111Mindlin解与B oussinesq解联合求解方法此法将加固区的桩土分开来考虑,桩顶所受荷载通过粉喷桩桩侧摩阻力传递到土层中去,桩侧摩阻力与桩端阻力引起土中任一点应力可用Mindlin解来求得,桩间土上所受匀布荷载引起土中任一点应力可用Boussinesq解来求得,然后两者迭加即可求出地基附加应力。

具体公式如下R z=R桩+R土(1)式中,R桩)))粉喷桩桩身受力所引起的地基附加应力;R土)))桩间土承受的荷载所引起的地基附加应力。

R土的计算用Boussinesq解求得,公式如下R土=Q Q l@b3#pr z22#P R5d x d y(2)式中,r=(x-x0)2+(y-y0)2R=(x-x0)2+(y-y0)2+z2R桩的计算用Mindlin解求得,公式如下R桩=R d+R c(3)R d=E n i=1E m j=1P d8P(1-L)-(1-2L)(z-H)R31+(1-2L)(z-H) R32-3(z-H)3R51-3(3-4L)z(z+H)2-3H(z+H)(5z-H)R52-30zH(z+H)3R72(4)式中,R d)))桩端力引起桩端下地基内任一点的附加应力;P d)))桩端阻力;H)))桩长;R1=(x ij-x0)2+(y ij-y0)2+(z0-H)2;R2=(x ij-x0)2+(y ij-y0)2+(z0+H)2。

R c=E n i=1E m j=1Q H0P F8P(1-L)-(1-2L)(z-F)R31+(1-2L)(z-F)R32-3(z-F)3R51-3(3-4L)z(z+F)2-3F(z+F)(5z-F)R52-30z F(z+F)3R72d F(5)式中,R c)))桩侧摩阻力引起桩端下地基内任一点的附加应力;P F)))距桩顶F距离处桩侧摩阻力的分布集度;L)))土的泊松比;R1=(x ij-x0)2+(y ij-y0)2+(z0-F)2;R2=(x ij-x0)2+(y ij-y0)2+(z0+F)2;x ij、y i j)))粉喷桩在水平面上的坐标值;x0、y0、z0)))所求应力点的坐标;H)))加固区深度。

根据以上方法求出复合地基加固区及下卧层的附加应力,即可由分层总和法求出加固区及下卧层土的压缩变形,两者之和即为复合地基总的沉降量。

112桩侧摩阻力及桩端阻力分布在采用Mindlin解计算桩侧摩阻力及桩端阻力对土中附加应力影响时,需了解桩侧摩阻力及桩端阻力的分布。

根据研究结果[3],在路基柔性荷载作用下,桩顶侧摩阻力一般很小,甚至出现负值,最大侧摩阻力产生在3~5m范围内,桩端阻力一般情况下很小,可忽略不计。

根据这一特征,近似地假设桩侧摩阻力的分布如图1所示,假定最大侧摩阻力发生在0135H桩长处,为计算方便,假定桩顶和桩端侧摩阻力为零。

另外,根据路堤荷载下桩土应力的实测结果,本次计算桩土应力比取n=315。

根据以上参数,可计算桩端下卧层的附加应力,加固区内附加应力也可根据桩侧摩阻力进行推算。

在进行加固区与下卧区土中附加应力计算时,发公路交通科技2001年第1期图1 粉喷桩侧摩阻力沿桩身分布情况图现用Mindlin 公式所计算的附加应力,与粉喷桩所分担的荷载分摊到加固区整个平面的平均应力之比(定义为Mindlin 计算地基附加应力系数)随桩间距变化很小,与桩长有关(具体如图2、图3所示)。

图2 不同桩长Mindlin计算地基附加应力系数图图3 桩长6m 不同桩间距Mindlin 计算地基附加应力系数图有了Mindlin 解,附加应力计算系数就可方便地求得桩间土和下卧层的附加应力,与Boussinesq 解求得的附加应力叠加,即可求得总的附加应力,再由分层总和法求得沉降量。

2 算例为将沉降量实测结果与计算结果进行比较,在徐连高速公路A 9标选择了试验段,按喷粉桩打入6m (下卧层为软土层)、10m (下卧层为持力层)及不作处理3种情况设置了3个深层分层沉降观测断面,填土高度分别为3101m (5112kPa)、2196m (5013kPa)和3153m (6011kPa)。

为保证计算参数取值的精确性,重新进行了地质钻探和土工试验,填土工作于1999年1月完成,目前沉降已基本稳定,故本文的沉降量可作为最终沉降量[7,8]。

211 土中附加应力计算根据以上方法,可计算桩端下卧层的附加应力,加固区的应力可根据桩侧摩阻力进行推算。

将用Mindlin (麦氏)与B oussinesq (布氏)联合求解和只用布氏求解计算结果示于图4~图7中。

图4 6m 长粉喷桩加固段堆土荷载下地基附加应力随深度变化情况图由图4~图7可见,无论对于桩长6m 还是桩长10m 的情况,采用联合求解法所得的复合地基附加应力曲线,与不作处理天然地基用布氏解法所得的附加应力曲线存在很大差别,主要表现在桩长范围内的附加应力大大减小,而桩端以下下卧层的附加应力有所增加,但随深度的增加,两者的曲线很快重合。