朱桃麗,趙桂娥
(1.湖南省建筑科學(xué)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410000;2.湖南省交通科學(xué)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410015)
考慮樁間土非線性影響的剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計(jì)算方法研究
朱桃麗1,趙桂娥2
(1.湖南省建筑科學(xué)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410000;2.湖南省交通科學(xué)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410015)
考慮樁側(cè)摩阻力與樁 — 土相對(duì)位移的雙曲線關(guān)系以及樁間土體非線性變形影響的特點(diǎn),建立剛性樁復(fù)合地基土體壓縮模量與應(yīng)變的關(guān)系模型。考慮樁土豎向變形,采取樁體向上刺入褥墊層及向下刺入持力層的模型,引進(jìn)分級(jí)加載的思想,基于樁-土-墊層的豎向變形協(xié)調(diào)條件,最后得到了剛性樁樁土應(yīng)力比。通過(guò)對(duì)某工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,分析得到了樁側(cè)摩阻力與樁身正應(yīng)力的分布規(guī)律,同時(shí)對(duì)墊層厚度、墊層模量、樁長(zhǎng)、樁土加固區(qū)土體模量等參數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明該方法具有一定的合理性和可行性。
剛性樁復(fù)合地基; 豎向變形;分級(jí)加載;樁土應(yīng)力比;非線性
剛性樁復(fù)合地基由于其承載力高、沉降小、造價(jià)適中等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于高速公路路基處理工程[1,2]。與此同時(shí),其設(shè)計(jì)計(jì)算理論也越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。樁土應(yīng)力比是反映剛性樁(如素混凝土樁、CFG樁等)復(fù)合地基工作狀態(tài)的重要參數(shù),是承載力設(shè)計(jì)、變形控制和沉降計(jì)算的重要指標(biāo)。在剛性樁復(fù)合地基中,褥墊層的設(shè)置能有效地調(diào)整樁土的受力情況,減輕樁頂應(yīng)力集中現(xiàn)象,充分利用樁間土的承載力[3]。然而由于褥墊層的設(shè)置,剛性樁會(huì)有向上刺入褥墊層的變形,同時(shí),剛性樁也會(huì)刺入持力層,使得這種復(fù)合地基的受力更復(fù)雜。目前常用的規(guī)范法[4]不能考慮樁土相互作用,須事先估計(jì)樁土應(yīng)力比,由于剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比取值跨度范圍過(guò)大,難以準(zhǔn)確選取,這為剛性樁設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)了一定困難。
對(duì)于上述問(wèn)題,近年來(lái)不斷有學(xué)者提出相關(guān)的樁土應(yīng)力比計(jì)算方法。傅景輝等[5]結(jié)合樁身上下刺入模型,分別考慮“樁頂-墊層”、“樁端-下臥層”的應(yīng)力相等與變形協(xié)調(diào),提出了剛性樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力計(jì)算方法,建立了目前最為常用的考慮“墊層-樁土加固區(qū)-下臥層”共同作用的一維壓縮模型,但該方法未考慮樁土相互作用。朱世哲等[6]假定全樁正摩阻力并呈線性分布,在文獻(xiàn)[5]研究思路的基礎(chǔ)上,提出了剛性樁樁土應(yīng)力比計(jì)算公式,而這一假設(shè)未考慮樁身負(fù)摩阻力區(qū),與剛性樁實(shí)際受力狀態(tài)不符。郭忠賢等[7]沿樁身進(jìn)行了正負(fù)摩阻力分區(qū),同樣假定摩阻力呈線性分布,提出了考慮樁土相互作用的樁土應(yīng)力比計(jì)算方法。趙明華等[8]、繆林昌等[9]同樣進(jìn)行了摩阻力分區(qū),并將其分布模式假定為更為簡(jiǎn)單的均勻分布。高瓊等[10]考慮樁土相互作用,引入剪切位移的思想,提出了柔性基礎(chǔ)下剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比與沉降計(jì)算方法。而對(duì)于剛性樁來(lái)說(shuō),由于樁土剛度差異較大,樁土界面必然產(chǎn)生相對(duì)滑移,且大量試驗(yàn)證明樁側(cè)摩阻力分布并非簡(jiǎn)單的呈線性分布。張軍等[11]引入理想彈塑性模型描述摩阻力與樁土相對(duì)位移的關(guān)系。趙明華等[12]與李鵬云等[13]則分別考慮摩阻力與樁土相對(duì)位移呈雙曲線關(guān)系,對(duì)剛性樁荷載傳遞進(jìn)行了分析。綜上所述,目前剛性樁復(fù)合地基分析方法基本是在一維線性壓縮模型的基礎(chǔ)上,圍繞“墊層-樁-土-下臥層”相互作用進(jìn)行展開,然而樁間土多為軟弱土,在受力變形過(guò)程會(huì)呈現(xiàn)一定非線性特性,上述模型均未考慮這一因素。
為此,本文在一維壓縮模型的基礎(chǔ)上,考慮樁間軟土非線性變形特性對(duì)樁土相互作用的影響,引進(jìn)分級(jí)加載的思想,考慮樁土加固區(qū)與墊層以及下臥層的變形協(xié)調(diào),得出了樁土應(yīng)力比計(jì)算的新方法,并利用某實(shí)際工程對(duì)本文方法進(jìn)行了驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)分析,旨在為剛性樁復(fù)合地基受力分析提供一種新的思路。
1.1 模型示意圖
根據(jù)工程實(shí)踐,本文分析時(shí),取復(fù)合地基中單樁及其處理范圍內(nèi)的地基土為研究對(duì)象,建立分析單元體,單元體如圖1所示。樁長(zhǎng)為L(zhǎng)p,直徑為dp,單樁加固范圍直徑de,de可以由樁的間距和布樁方式按de=cgsd確定,sd為樁間距,采用三角形布樁時(shí)cg取1.05,正方形布樁時(shí)cg取1.13。
圖1 分析單元體
將樁身劃分為N段,各段結(jié)點(diǎn)編號(hào)自上而下為i=1,2,.…,N+1,樁身單元厚度均為lp;與樁身部分結(jié)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng),土體從上至下也劃分為N層,每層土厚度為ls,i0,Es,i0為第i層土體初始?jí)嚎s模量。剛性樁復(fù)合地基受力變形示意圖如圖2所示。
圖2 剛性樁復(fù)合地基變形示意圖
由于本文考慮了樁間土非線性變形特性,難以直接求解樁土變形,故引入分級(jí)加載思想,將上部荷載分為M級(jí),在第j級(jí)荷載pj作用下,假設(shè)均布荷載經(jīng)過(guò)褥墊層的調(diào)整之后作用于樁頂荷載為pp,j,作用于樁間土體頂面荷載為ps,j,兩者滿足如下關(guān)系:
mpp, j+(1-m)ps ,j=pj
(1)
式中,pj為作用于墊層頂部的第j級(jí)荷載,m為置換率。
1.2 樁頂向墊層刺入量計(jì)算
在j級(jí)荷載作用下,樁頂刺入量可以由下式得到:
(2)
式中,Δsj為j級(jí)荷載下樁頂刺入量;Cu為墊層單位壓力刺入量。
Cu可由下式確定:
(3)
式中,Lm為墊層的厚度;Em為墊層壓縮模量。
1.3 樁間土及樁身壓縮量計(jì)算
第i層樁單元和土單元受力如圖3所示,根據(jù)樁、土單元豎向力的平衡條件,樁間土單元壓縮量δs,ij和樁身單元壓縮量δp,ij分別通過(guò)下式求得:
(4)
式中:σp,ij、σs,ij分別為第j級(jí)荷載作用下第i層樁體、土體單元上表面豎向應(yīng)力;Δεp,ij與Δεs,ij分別為j級(jí)荷載作用下樁與樁間土產(chǎn)生的壓應(yīng)變;Es,i(j-1)為j-1級(jí)荷載作用下第i層土體壓縮模量;ls,i(j-1)為j-1級(jí)荷載作用下第i層土體厚度;Ep為樁的彈性模量。
第j級(jí)荷載作用前后樁間土體的模量會(huì)隨著荷載的作用發(fā)生變化,這便是土體變形的非線性表現(xiàn),本文將荷載作用下的土體抽象為由土骨架和孔隙兩部分組成,認(rèn)為土體的總荷載由土骨架承擔(dān),孔隙部分不承受荷載,土體的壓縮模量為Es,骨架壓縮模量為Esf,孔隙率為ρv,文獻(xiàn)[14]認(rèn)為Esf在荷載作用下保持不變且Es與Esf可用下式近似表示:
Es=(1-ρv)Esf
(5)
(6)
式中:Ap為樁身橫截面積。
在第j級(jí)荷載作用下第i層樁間土體發(fā)生壓縮變形增量Δzs,ij,此時(shí)圓柱單元體的體積為:
(7)
一般認(rèn)為土體骨架在受荷載前后體積不可壓縮,則有:
(8)
式中:ρv,i(j-1)、ρv,ij分別為第j-1級(jí)和第j級(jí)荷載作用下第i層土體孔隙率。
將式(6)、式(7)代入式(8),整理可得:
(9)
對(duì)式(9)進(jìn)一步化簡(jiǎn),可得:
(10)
結(jié)合式(5),可得樁間土體在第j級(jí)荷載作用前后模量的遞推關(guān)系為:
(11)
式中:Es,ij、Es,i(j-1)分別為第j級(jí)和第j-1級(jí)荷載作用后剛性樁復(fù)合地基第i層土體壓縮模量。
1.4 樁土豎向應(yīng)力遞推關(guān)系
結(jié)合式(4),前j級(jí)荷載下,第i層土單元的厚度為:
(12)
式中:δs,ik為在第1級(jí)荷載至第j級(jí)荷載之間的某一個(gè)k級(jí)荷載作用下,第i層樁間土單元壓縮量。
在j級(jí)荷載作用下,第i層樁、土上表面相對(duì)位移為:
(13)
式中:δs,kl為在第1級(jí)荷載至第j級(jí)荷載之間的某一個(gè)l級(jí)荷載作用下,第1層至第i-1層之間的某一個(gè)k層樁間土單元壓縮量;δp,kl為在第1級(jí)荷載至第j級(jí)荷載之間的某一個(gè)l級(jí)荷載作用下,第1層至第i-1層之間的某一個(gè)k層樁身單元壓縮量。
參照前人研究成果[15],樁土界面摩阻力與相對(duì)位移符合Castelli雙曲線模型,在第j級(jí)荷載下,第i層樁、土界面摩阻力增量為:
(14)
式中:Ki(j-1)為第i層樁側(cè)土在第j-1級(jí)荷載作用下的初始切線剛度;τu,ij為第j級(jí)荷載下第i層樁側(cè)土的極限摩阻力。
根據(jù)Berrum公式,樁土界面初始剛度與極限摩阻力分別為:
(15)
式中:rm為有效影響半徑,一般按rm=2.5ρLp×(1-vs)求出,vs為土的泊松比;rp為樁的半徑;Gs,i(j-1)為第i層樁側(cè)土在第j-1級(jí)荷載作用下的剪切模量,可通過(guò)壓縮模量計(jì)算;K0,i為第i層土的靜止土壓力系數(shù);φs,i為第i層樁土間摩擦角;γs,k為第1層至第i-1層之間某一個(gè)k層樁側(cè)土的重度;ls,k0為第1層至第i-1層之間某一個(gè)k層土厚度。
如圖3所示,所以在求出第j級(jí)荷載作用下第i層樁土摩阻力Δτps,ij之后,分別根據(jù)樁、土豎向靜力平衡公式,可以求得第i層土單元和樁單元的
圖3 樁單元和土單元受力圖
下表面應(yīng)力為σs,(i+1)j、σp,(i+1)j:
(16)
1.5 樁底向下臥層刺入量計(jì)算
在求得樁端應(yīng)力ppb,j和下臥層頂面樁間土附加應(yīng)力psb,j之后,也即第N層樁土底面的應(yīng)力σp,(N+1)j、σs,(N+1)j,可求得樁端刺入量:
(17)
式中:Cb為下臥層單位壓力刺入量,可由公式(18)確定。
(18)
式中:Eb為下臥土層壓縮模量;vb為下臥土層泊松比;ω為沉降影響系數(shù)。
1.6 樁土應(yīng)力比計(jì)算
結(jié)合上述分析,以樁頂刺入量Δs為試算變量,以下臥層刺入量Δsb為判別條件,本文采用Matlab編制了相應(yīng)的計(jì)算程序,計(jì)算過(guò)程如下:
1) 假定第j級(jí)荷載pj作用下樁頂差異沉降Δsj,即Δps,1j,根據(jù)式(1)、式(2),得到樁頂應(yīng)力pp,j以及樁間土表面應(yīng)力ps,j。
2) 根據(jù)式(4)獲得第1層樁土單元在j級(jí)荷載下的壓縮量δp,1j與δs,1j,同時(shí)根據(jù)式(13)~式(15)可以得出樁側(cè)摩阻力增量Δτps,1j。
3) 根據(jù)式(16)獲得第2層樁土單元豎向應(yīng)力σs,2j、σp,2j,將其代入式(4),獲得第2層樁土單元在j級(jí)荷載下的壓縮量δp,2j與δs,2j,而后通過(guò)式(13)獲得Δps,2j,同時(shí)根據(jù)式(14)~式(16)可以得出第3層樁土單元底面的應(yīng)力σp,3j、σs,3j。
4) 重復(fù)循環(huán)步驟3)直到底層樁土體,得到σp,(N+1)j、σs,(N+1)j與Δps,(N+1)j,即ppb,j、psb,j與Δsb1,j。
5) 在確定第N層樁土體底面應(yīng)力ppb,j和psb,j后,通過(guò)式(17)、式(18)獲得樁端刺入持力層深度Δsb2,j。
按照上述過(guò)程逐次計(jì)算每一級(jí)荷載,直到第M級(jí)荷載,利用式(1)、式(2)得到最終樁土應(yīng)力比n。
湖南某公路工程高填方段須穿越一深厚軟土區(qū)域,各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,為保證地基滿足設(shè)計(jì)要求,采用長(zhǎng)螺旋灌注樁進(jìn)行加固處理,設(shè)計(jì)樁徑0.6 m,正方形布樁,樁間距1.8 m,施工完成后鋪設(shè)30 cm厚碎石墊層,墊層壓縮模量取30 MPa,鋪設(shè)完成后取路堤中心下一工程樁,進(jìn)行復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。
表1 試驗(yàn)點(diǎn)地基土物理力學(xué)參數(shù)
將測(cè)試結(jié)果與本文理論方法求得的樁土應(yīng)力比進(jìn)行比較,得出的結(jié)果如圖4所示。
圖4 試驗(yàn)點(diǎn)樁土應(yīng)力比對(duì)比圖
從對(duì)比中可以看出,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果總體來(lái)說(shuō)較為接近。樁土應(yīng)力比隨荷載的增加而增大,這是由樁土相互作用導(dǎo)致樁土之間的荷載轉(zhuǎn)移決定的,但趨勢(shì)逐漸減小,這主要由兩方面原因造成,一方面是由于樁間土自身的非線性,其在壓實(shí)過(guò)程中的剛度不斷增大,導(dǎo)致了樁土剛度比不斷減?。涣硪环矫鎰t是由于樁土界面摩阻力與相對(duì)位移的非線性,導(dǎo)致樁與土的荷載轉(zhuǎn)移效率不斷降低,如圖5與圖6所示。
圖5 樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律
圖6 樁身正應(yīng)力分布規(guī)律
圖6所示本文得到的樁身應(yīng)力變化曲線與文獻(xiàn)[16]采用數(shù)值模擬方法所得的結(jié)果一致,此外,從圖5可以看出,當(dāng)荷載很大時(shí),樁側(cè)摩阻力近似呈線性分布,而荷載小于165 kPa時(shí),樁側(cè)摩阻力沿樁身呈非線性分布,而在公路工程中多數(shù)中低路堤荷載并不能達(dá)到這一量級(jí),因此目前常用的基于摩阻力線性分布模式的計(jì)算方法不適用于中低路堤的情況。
在算例參數(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)本文方法,對(duì)樁土應(yīng)力比的各影響因素的敏感性進(jìn)行對(duì)比分析。
3.1 樁土應(yīng)力比與墊層模量的關(guān)系
在其他參數(shù)不變的情況下,改變墊層模量Em的大小,由此獲得其對(duì)樁土應(yīng)力比的影響如圖7所示。由圖7可知:在同一級(jí)荷載下,樁土應(yīng)力比隨著墊層模量的增大而逐漸增大,但是隨著墊層模量的增大,樁土應(yīng)力比增大的幅度減小。在墊層模量不變的情況下,樁土應(yīng)力比隨著荷載的增大而逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定。但在墊層模量較小時(shí),增大的幅度比墊層模量較大時(shí)更小。然而在實(shí)際工程中樁土應(yīng)力比既不能太大也不能過(guò)小,因此,選擇合理的墊層材料也可以充分發(fā)揮樁間土的承載作用。
圖7 樁土應(yīng)力比隨墊層模量的變化關(guān)系
3.2 樁土應(yīng)力比與樁長(zhǎng)的關(guān)系
在其他參數(shù)不變的情況下,改變樁長(zhǎng)Lp的大小,由此獲得其對(duì)樁土應(yīng)力比的影響如圖8所示。根據(jù)圖8可知:在同一級(jí)荷載下,樁土應(yīng)力比隨著樁長(zhǎng)的增大而逐漸增大,增大的幅度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),在荷載較大時(shí),這種增大的效果更加明顯。在保持樁長(zhǎng)不變的情況下,樁土應(yīng)力比隨著荷載的增大而逐漸增大,最后達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到某一值時(shí),對(duì)樁土應(yīng)力比的影響不再明顯,說(shuō)明復(fù)合地基中臨界樁長(zhǎng)的存在,當(dāng)樁長(zhǎng)小于該值時(shí),增加樁長(zhǎng)對(duì)提高樁土應(yīng)力比是有利的。
圖8 樁土應(yīng)力比隨樁長(zhǎng)的變化關(guān)系
3.3 樁土應(yīng)力比與墊層厚度的關(guān)系
在其他參數(shù)不變的情況下,改變墊層厚度Lm的大小,由此獲得其對(duì)樁土應(yīng)力比的影響如圖9所示。根據(jù)圖9可知:在同一級(jí)荷載下,樁土應(yīng)力比隨著墊層厚度的增大而逐漸減小,其減小的幅度呈遞減的趨勢(shì)。在保持墊層厚度不變的情況下,隨著荷載的增大,樁土應(yīng)力比逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定。因此說(shuō)明并非墊層厚度越大越好,選擇合理的墊層厚度也可以充分發(fā)揮樁間土的承載作用。
圖9 樁土應(yīng)力比隨墊層厚度的變化關(guān)系
3.4 樁間土初始模量的影響
在其他參數(shù)不變的情況下,改變樁間土初始模量Es的大小,由此獲得其對(duì)樁土應(yīng)力比的影響如圖10所示。根據(jù)圖10可知:在同一級(jí)荷載下,樁土應(yīng)力比隨著樁間土模量的增大而逐漸減小,其減小的幅度呈遞減的趨勢(shì)。在保持樁間土模量不變的情況下,樁土應(yīng)力比隨著荷載的增大而逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定。因此,不同的土質(zhì)是會(huì)影響剛性樁復(fù)合地基的承載力的。
圖10 樁土應(yīng)力比隨樁間土模量的變化關(guān)系
剛性樁復(fù)合地基由于褥墊層的設(shè)置使得復(fù)合地基中墊層、樁體及樁間土體組成一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。本文考慮樁土豎向變形的協(xié)調(diào)作用,引入分級(jí)加載的思想,考慮樁間土的非線性特性,提出了剛性樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計(jì)算方法,并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的驗(yàn)證,證明此方法的合理性與可行性。通過(guò)分別計(jì)算剛性樁復(fù)合地基在不同墊層模量及厚度、樁間土模量、樁長(zhǎng)、面積置換率等情況下隨荷載變化的樁土應(yīng)力比,經(jīng)分析比較得到如下的初步結(jié)論:
1)剛性樁復(fù)合地基中,樁土應(yīng)力比隨著荷載的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),但趨勢(shì)不減小。
2)剛性樁復(fù)合地基中樁、樁間土、墊層的性能都會(huì)對(duì)樁土應(yīng)力比產(chǎn)生影響,通過(guò)調(diào)整墊層模量的大小、墊層的厚度可使剛性樁復(fù)合地基中的樁、土效應(yīng)達(dá)到最優(yōu)。
3)樁長(zhǎng)的增大會(huì)使樁土應(yīng)力比達(dá)某一最大穩(wěn)定值,說(shuō)明剛性樁復(fù)合地基中存在臨界樁長(zhǎng),因此適當(dāng)增大樁長(zhǎng)對(duì)提高樁土應(yīng)力比是有利的。
4)由樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律圖可知:當(dāng)荷載較大時(shí),摩阻力呈線性分布,而荷載較小時(shí)并不具有這一規(guī)律,因此基于摩阻力線性分布模式的計(jì)算方法不適用于上部荷載較小的情況。
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1008-844X(2017)02-0045-06
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