張維秀 張元琦

中國石油集團東北煉化工程公司吉林設計院 吉林 132002

碎石樁復合地基承載力計算探討

張維秀 張元琦

中國石油集團東北煉化工程公司吉林設計院 吉林 132002

碎石樁是一種散體材料樁，在石油化工儲罐工程中廣泛使用，是一種經(jīng)濟有效的地基處理方法。目前碎石樁有多種成樁方法，如振沖碎石樁、振動沉管碎石樁、柱錘沖擴碎石樁等。本文對確定碎石樁復合地基承載力的7種方法從基本假設、計算模型、計算參數(shù)、計算公式等方面進行探討，通過工程實例，將7種計算方法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比。

碎石樁 復合地基 承載力 地基處理

碎石樁是一種散體材料樁，承載能力由碎石密實度及樁周土體的性狀共同決定，受力狀態(tài)與原位橫壓試驗或土的三軸試驗受力狀態(tài)類似。當樁周土體對樁的約束力達到極限pl，樁頂荷載達到承載能力極限σ1。碎石樁極限承載力與樁周土體極限約束力的關(guān)系：

(1)

式中，σ1為碎石樁極限承載力，kPa；φp為碎石樁樁身碎石內(nèi)摩擦角，°；pl為碎石樁極限約束力，kPa。

由(1)式可見，確定碎石樁承載力的關(guān)鍵在于確定土體對碎石樁的極限約束力pl。

1 計算方法探討

1.1 彈塑性分析法

在文獻1中提出了彈塑性分析法。當樁頂壓力較小時，樁周土體呈彈性狀態(tài)。隨著樁頂壓力增大碎石樁側(cè)向鼓脹，使周圍土出現(xiàn)塑性區(qū)。當碎石樁達到單樁極限承載力時，樁周土體達到極限平衡狀態(tài)，在此假設下推導出樁周土體對碎石樁的極限約束力：

pl=2cscosφs/(1-sinφs)+γh(1+sinφs)/(1-sinφs)

(2)

式中，cs、φs為土的抗剪強度指標；γ為土的重力密度，kN/m3；h為計算位置深度，m。

1.2 Brauns法[2]

(3)

式中，σs為樁周土體表面荷載，kPa；δ為滑動面與水平面間的夾角,按下述原則計算：

當σs≠0時按下式：

(4)

當σs=0時按下式：

(5)

1.3 盛崇文法[3]

盛崇文將Brauns法應用到滿堂紅碎石樁情況，推導出土體對碎石樁的極限約束力：

(6)

式中，m為置換率。

1.4HughesWithers計算法[4]

Hughes和Withers在土體極限平衡理論下，推導出土體對碎石樁的極限約束力：

(7)

pl=6cs

(8)

1.5 Wang H.Y計算法[5]

Wang H.Y認為樁周土側(cè)向極限約束力就是鼓脹區(qū)樁周被動土壓力：

(9)

式中,kps為樁周土體被動土壓力系數(shù)。

1.6 被動土壓力法[4]

該法認為樁周土自重應力的被動土壓力就是樁周土側(cè)向極限應力：

(10)

1.7 劉杰等計算法[6]

劉杰等假定樁體屈服后，徑向應變與軸向應變比值保持不變，樁體與樁間土屈服遵守摩爾-庫侖準則，由豎向變形相等和側(cè)向變形協(xié)調(diào)條件，推導出碎石樁極限承載力公式：

(11)

式中，Es、Ep分別為土及碎石變形模量，kPa；μs、μp分別為土及碎石泊松比；kx為徑向應變與軸向應變之比，按下式計算：

(12)

2 工程實例

2.1 工程概況

本文采用文獻6中的工程實例和實驗資料，天然地基承載力為60kPa，φs=10°，cs=10kPa，φp=44°，Es=2.41MPa，Ep=21.8MPa，μp=0.4，μs=0.25。采用碎石樁加固，樁長7m，樁徑0.8m，樁間距1.5m，梅花形布置。

2.2 復合地基承載力

2.2.1 彈塑性分析法

破壞段高度為：

hp=2atg(45°+φp/2)=0.8tg(45°+44°/2)=1.89 m

代入式(2)得：

pl=2cscosφs/(1-sinφs)+γh(1+sinφs)/(1-sinφs)

=2×10×cos10°/(1-sin10°)+17.5×1.89×

(1+sin10°)/(1-sin10°)=70.86 kPa

代入式(1)得：

2.2.2Brauns法

經(jīng)試算得tgδ=1.87 ，δ=61.9°，代入式(1)(3)：

(45°+φp/2)

=(17.5×1.89+2×10/sin2×61.9°)·

=716.90 kPa

2.2.3 盛崇文方法

代入式(1)(6)：

=582.53 kPa

2.2.4 Hughes Withers 計算法

按式(1)(8)

2.2.5WangH.Y計算法

按式(1)(9)：

=[tg2(45°+10°/2)×17.5×1.89+2×10×

2.2.6 被動土壓力法

按式(1)(10)：

=[(17.5×1.89+60)tg2(45°+10°/2)+2×10×

2.2.7 劉杰等計算法

按式(11)：

代入式(11)：

=551.39 kPa

各計算方法計算結(jié)果與實驗值對比見表1。

表1 各計算方法計算結(jié)果與實驗值 (kPa)

通過以上7種方法計算結(jié)果，本工程采用盛崇文方法和劉杰等人方法的計算結(jié)果與實測結(jié)果最為接近。Brauns法和被動土壓力法計算結(jié)果偏大，其他3種方法計算結(jié)果偏小。

3 結(jié) 語

碎石樁機理分析尚有很多工作要做，目前關(guān)于承載力計算方法很多，但都是在一定假定前提下推導出來的，應積累更多工程經(jīng)驗，確定本地區(qū)適用的分析方法。從本文采用的7種計算方法的結(jié)果來看，采用盛崇文方法和劉杰等人方法與實測結(jié)果最為接近。

1 張維秀.碎石樁機理分析及單樁承載力計算[J].石油化工設計,2007.24(1).

2 盛崇文.振沖水沖技術(shù)加固技術(shù)縱論與展望[M].軟土加固新技術(shù),北京：水利電力出版社，1984.

3 盛崇文.軟土地基用碎石樁加固后的極限承載力計算[J].水利水運科學研究.1980.6(2).

4 何廣訥. 振沖碎石樁復合地基[M].北京：人民交通出版社，2001.

5 Wang H.Y.Vibroflotation-Its Effect on Weak Cokesive Soils[J]. Civil Engineering, April 1975.

6 劉 杰、張可能.碎石樁復合地基若干問題的理論分析[J].鐵道工程學報,2003.6(2).

2016-07-26)

*張維秀：研究員、國家一級注冊結(jié)構(gòu)師、注冊巖土工程師、英聯(lián)邦結(jié)構(gòu)工程師(StructE)。1989年畢業(yè)于南京水利科學研究院。從事結(jié)構(gòu)設計工作。聯(lián)系電話：(0432)63959402，E-mail: Jly_zwx0247@petrochina.com.cn。