曹文貴等

摘要：復(fù)合地基沉降計(jì)算是地基加固處理及相關(guān)設(shè)計(jì)的重要依據(jù).基于剛性基礎(chǔ)下散體材料樁復(fù)合地基沉降變形的特點(diǎn)，從樁與土微觀變形力學(xué)機(jī)理研究入手，考慮其孔隙性質(zhì)并引入孔隙介質(zhì)分析方法，分別建立了反映樁與土表觀變形力學(xué)參數(shù)與其骨架實(shí)際變形力學(xué)參數(shù)之間關(guān)系的孔隙介質(zhì)模型.在此基礎(chǔ)上，考慮樁與土變形力學(xué)參數(shù)的非線性特征，引進(jìn)分級加載的思想，分別建立了附加應(yīng)力和初始地應(yīng)力對樁與土變形力學(xué)參數(shù)的影響模型，進(jìn)而，建立了一種改進(jìn)的散體材料樁復(fù)合地基沉降分層總和分析方法.通過工程實(shí)例分析并與現(xiàn)有方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)該方法不僅能反映樁和土變形力學(xué)參數(shù)隨埋深和附加應(yīng)力變化而變化的非線性特征，還能避免地基沉降計(jì)算中壓縮試驗(yàn)曲線的使用，而且具有更高的計(jì)算精度，表明了該模型和方法的合理性與優(yōu)越性.

關(guān)鍵詞：地基沉降；散體材料樁復(fù)合地基；剛性基礎(chǔ)；孔隙介質(zhì)模型；分級加載；分層總和法

中圖分類號： TU472.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

散體材料樁如碎石樁、砂石樁等加固軟土地基或路基是一種廣泛應(yīng)用的地基加固處理技術(shù)，且散體材料樁復(fù)合地基沉降分析是地基加固處理與基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù).但是，由于這種地基的明顯不均勻性和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)雜性，使得其沉降分析理論及方法研究還需要深化和完善，有必要對此進(jìn)行更深入地研究.

目前，復(fù)合模量法1-3是最為廣泛的復(fù)合地基沉降分析方法之一，其基本思路是采用樁土復(fù)合模量代替天然地基壓縮模量，再以分層總和法來計(jì)算復(fù)合地基的沉降，為此，盛崇文1利用樁土復(fù)合地基的面積置換率，將載荷試驗(yàn)確定的樁土模量進(jìn)行簡單的加權(quán)平均處理以獲得復(fù)合模量；Omine2建立了雙重介質(zhì)模型，在考慮樁與土各向異性基礎(chǔ)上，利用樁土復(fù)合地基面積置換率來確定復(fù)合模量，王鳳池等3考慮了樁長、樁端土性質(zhì)對復(fù)合模量的影響，并利用復(fù)合地基樁體承載機(jī)理來修正復(fù)合模量面積比公式，從而對復(fù)合模量進(jìn)行修正.另外，張定4基于碎石樁復(fù)合地基變形是豎向變形和橫向變形的疊加，提出了一種樁土復(fù)合地基沉降分析方法.雖然上述各種方法獲得了一定的成果，但是，均未體現(xiàn)附加應(yīng)力和應(yīng)力歷史對復(fù)合地基變形力學(xué)參數(shù)的影響，而且，須采用壓縮試驗(yàn)曲線或靜載試驗(yàn)曲線來描述樁土模量的變化，這給實(shí)際工程計(jì)算帶來了不便.于是，曹文貴和劉海濤等5基于樁土復(fù)合地基沉降變形機(jī)理及其非線性特征，考慮荷載作用下樁土變形力學(xué)參數(shù)的變化，建立了剛性基礎(chǔ)下散體材料樁復(fù)合地基沉降計(jì)算新方法.該方法反映了樁土變形力學(xué)參數(shù)的變化對復(fù)合地基沉降的影響，并且在沉降分析中避免了使用壓縮試驗(yàn)曲線或靜載試驗(yàn)曲線來描述模量的變化，使沉降計(jì)算過程更公式化.但是，這種方法并未反映樁土泊松比變化對復(fù)合地基沉降分析的影響，而且，在研究樁土模量變化規(guī)律時忽略了高階變形微量的影響，存在明顯的缺陷.如果在此方法的基礎(chǔ)上合理地解決樁土模量和泊松比變化對沉降分析的影響，必將獲得更為合理的散體材料樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法，這正是本文研究的核心內(nèi)容.

為了建立散體材料樁復(fù)合地基沉降分析模型，首先做如下假定：

1建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為理想剛性基礎(chǔ)，因此，樁與土的豎向變形是協(xié)調(diào)相等的.

2樁與土界面水平或側(cè)向變形連續(xù).

3考慮到散體材料樁具有較強(qiáng)的透水性，孔隙水極易排出，因此，不考慮孔隙水壓力對地基沉降的影響.

2樁或土體孔隙介質(zhì)力學(xué)模型

散體材料樁復(fù)合地基的樁和土均為孔隙介質(zhì)體，在荷載作用下，其中孔隙可以被壓縮，即樁或土的體積會發(fā)生變化，從而，導(dǎo)致其變形力學(xué)參數(shù)也會隨之而變化，但是，散體材料樁和土顆粒骨架可視為傳統(tǒng)固體力學(xué)研究對象，其變形力學(xué)參數(shù)為常數(shù)6，因此，從孔隙介質(zhì)微觀分析入手，就有可能建立孔隙介質(zhì)變形力學(xué)參數(shù)與孔隙介質(zhì)骨架變形力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系.為此，必須探討孔隙介質(zhì)體應(yīng)力與變形分別與顆粒骨架的應(yīng)力和變形的關(guān)系，前者稱為孔隙介質(zhì)的表觀應(yīng)力和表觀變形文獻(xiàn)6中稱為視應(yīng)力和視應(yīng)變，后者稱為孔隙介質(zhì)骨架的實(shí)際應(yīng)力和實(shí)際變形，然后據(jù)此可建立孔隙介質(zhì)力學(xué)模型，詳細(xì)內(nèi)容如下.

上述即為散體材料樁復(fù)合地基孔隙介質(zhì)力學(xué)分析模型，下面將在此基礎(chǔ)上探討樁或土體變形力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律.

3樁與土變形力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律

3.1附加應(yīng)力作用下樁和土變形力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律

1樁和土泊松比的變化規(guī)律

以土體為例，設(shè)第i地基壓縮分層土體所受第j級豎向附加應(yīng)力增量為

SymbolsA@ szij，兩個水平向附加應(yīng)力增量分別為

樁體孔隙率的變化同樣需采用遞推方法進(jìn)行計(jì)算，其初始值nPi0的取值也將在本文3.2節(jié)進(jìn)一步討論.

3樁和土附加應(yīng)力確定方法

由散體材料樁復(fù)合地基沉降分析模型可知，要求得散體材料樁復(fù)合地基沉降值，須知道土體所受的應(yīng)力增量.因?yàn)樯Ⅲw材料復(fù)合地基中樁與土相互影響，因此，必須從這一力學(xué)特點(diǎn)入手，對樁或土體進(jìn)行受力分析，以求得散體材料樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比，從而建立散體材料樁復(fù)合地基土體所受附加應(yīng)力的確定方法，具體過程如下.

以土體單元為例探討樁或土的受力情況.本文參考文獻(xiàn)4，5，8，9的方法，在第i地基壓縮分層取一個土體單元，在第j級附加應(yīng)力增量作用下，考慮水平向?qū)ΨQ的情況，即σsxij=σsyij，并且為了分析方便，將土體單元受力變形分解為只發(fā)生水平向應(yīng)變或豎向應(yīng)變的兩種模型4，5，8，9，如圖1所示，于是，各模型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下：

3.2不同埋深樁和土初始變形力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律

一般情況下，散體材料樁復(fù)合地基中樁或土的初始變形力學(xué)參數(shù)可通過室內(nèi)試驗(yàn)確定10，但是，此時的變形力學(xué)參數(shù)未考慮不同壓縮分層已完成固結(jié)變形的不同，即未考慮地基應(yīng)力歷史或初始地應(yīng)力對變形力學(xué)參數(shù)的影響，因此，必須建立散體材料樁復(fù)合地基樁或土初始變形力學(xué)參數(shù)的確定方法.

4.2工程實(shí)例2

某水庫攔河大壩13所在的河床有較深的第4紀(jì)沖擊層分布，用振沖碎石樁對地基加固.選取現(xiàn)場試驗(yàn)中BC1組載荷試驗(yàn)曲線進(jìn)行計(jì)算，該載荷板尺寸為1.8 m×1.8 m，樁體直徑為1 m，長度為9 m，按正三角形布樁，面積置換率m=0.24.樁和土變形模量分別為3.5 MPa，1.5 MPa，重度分別為25 kNm3，20 kNm3.樁泊松比與孔隙率分別為0.25，0.07，土泊松比與孔隙率分別為0.40，0.52.試驗(yàn)荷載為108 kPa時壓板實(shí)測最大沉降為42.0 mm.

計(jì)算深度按照規(guī)范12要求取9 m，將地基壓縮層分為9層，每層厚度為1 m，將附加荷載及自重荷載均分為20級加載.按實(shí)例一計(jì)算過程，得樁土變形力學(xué)參數(shù)初始值見表3，沉降計(jì)算結(jié)果見表4.

—

從上述工程實(shí)例分析的過程和結(jié)果可以看出，采用本文方法計(jì)算的沉降值更接近地基沉降的實(shí)際觀測值，表明本文方法具有較強(qiáng)的合理性和可行性.雖然本文方法與其他方法相比，計(jì)算精度雖然沒有明顯提高，但避免了地基土壓縮試驗(yàn)曲線和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的使用，還全面考慮了樁土變形力學(xué)參數(shù)變化對沉降的影響，因而具有明顯的優(yōu)越性.

5結(jié)論

1從樁土受力與微觀變形研究入手，建立了反映樁土表觀變形力學(xué)參數(shù)與顆粒骨架實(shí)際變形力學(xué)參數(shù)之間關(guān)系的孔隙介質(zhì)模型，較現(xiàn)有相關(guān)模型具有更廣泛地應(yīng)用范圍.

2考慮剛性基礎(chǔ)下散體材料樁復(fù)合地基沉降特點(diǎn)，運(yùn)用上述孔隙介質(zhì)分析模型，引進(jìn)分級加載思想，建立了附加應(yīng)力和初始地應(yīng)力對樁土變形力學(xué)參數(shù)的影響模型.

3建立了反映樁土變形力學(xué)參數(shù)非線性變化特征的改進(jìn)分層總和分析方法，其不僅反映了樁土變形力學(xué)參數(shù)隨埋深和附加應(yīng)力變化的特征，而且還能避免壓縮試驗(yàn)曲線的使用.

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