土工格室 碎石桩复合地基承载机理及承载力计算方法探讨

1、第30卷,第4期2005年12月中南公路工程Vol.30,No.4Dec.,2005土工格室+碎石桩复合地基承载机理及承载力计算方法探讨杨明辉1,王娟2,赵明华1(1.湖南大学岩土工程研究所,湖南长沙410082;2.北京燕化石油公司塑料分公司,北京102500)摘要针对土工格室+,在此基础上,着重对其承载力计算进行了研究。,引进圆孔扩张理论,布桩方式影响,。最后,通过算例,关键词;计算方法中图分类号U15文献标识码A文章编号10021205(2005)04000504StudyontheCapacityMechanismandModelandCalculationofGeocellMattr

2、essandGravelPileCompositeFoundationYANGMinghui1,WANGJuan2,ZHAOMinghua1(1.GeotechnicalEngineeringInstituteofHunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China;2.PlasticFilialeofBeijingYanhuaPetroleumCompany,Beijing,102500,China)AbstractFirstly,theworkmechanicsofgeocellmattressandgravelpilecompositefoundation

3、ondiscretematerialpileisstudieddeeply,basedonwhich,thebearingcapacitymethodisstudiedinthepaper.Thenewmethodtakesthestructureintotwoparts.Accordingtothegravelpilecompositefoundation,thetheoryofround-holeexpansionisusedtocalculatethestress2strainofpileandsoilinloadingprocess,basedonwhich,thecalculatio

4、nofloadingcapacityisderivedwhichcanconsiderthemutualactionbetweenpileandsoilandtheinfluenceofpilearrangement.Then,combinedwiththemechanicalcharacter,capacitycomputationalformulaisdeduced.Finally,anengineeringexampleisdiscussedtoverifythemethod.KeywordsGeocell;gravelpilefoundation;capacitycomputation

5、;theoryofround2holeexpansion土工格室作为高质量的加强材料,是由高密度的聚乙烯宽带(PE,HDPE)经超声波焊接而成的具有蜂窝状格室结构的立体材料,与土工布、土工格栅等平面加筋材料相比,其最大的特点是具有立体结构,强度高,刚度大,整体性能好,并且伸缩自如,运输时可以折叠,施工方便,使用时只需张开格室填充土石等材料并压实即可。因此在公路运输行业得到了广泛的应用,尤其是在软基处理方面,土工格室与碎石桩联合作用,在提高软基承载能力及减小不均匀沉降等方面有着突出的优点,由此成为一种新兴的地基处理形式。但目前国内外有关研究主要集中在碎石桩复合地基25,对于土工格室+碎石桩增强体

6、的承载机理研究鲜有文献报道,其承载力研究亦处于起步阶段。为此,本文对土工格室+碎石桩复合地基的承载机理进行了详细研究,并考虑实际工程种碎石桩桩的径向膨胀作用及桩土相互作用、桩体的不同布置类型以及土工格室的受力特点,推导了相应的承载力计算公式,对实际工程具有一定的参考价值。1土工格室的作用机理采用土工格室+碎石桩处理软土路基,通常是收稿日期20050723基金项目教育部高等学校博士学科点专项基金(20020532008)。作者简介杨明辉(1978),男,湖南邵阳人,博士研究生,主要从事桩基础及复合地基计算研究。6中南公路工程第30卷先在碎石桩顶部铺垫一层粗骨料(碎石)垫层,然后再铺设土工格室,填

7、充并压实填料,并在格室顶部设一定厚度的超高层,使其形成一个具有良好排水通道,刚度大,整体性好的立体结构层,其组成,见图1。程中的测试结果为:土工格室网深15cm时竖向应力峰值平均减少了36%,网深10cm时平均减少了17%。由此可见,土工格室+碎石垫层对路堤荷载的扩散和均化作用不容忽视。土工格室垫层与碎石桩共同组成约束调节与支撑体系。土工格室垫层和碎石桩在荷载作用下相互作用,共同工作,形成多元复合地基体系。,桩体承图1土工格室处理地基的结构构成(:Figure1土工格室+平铺加筋土,在以下几个方面:强大的当量侧向约束力效应6。一般筋材通过与土体的接触面摩擦给土体提供侧向约束力,从而达到提高土体

8、强度,加固软基的目的。该侧向约束力的大小由筋材界面摩擦强度所控制。而土工格室给填充其内的碎石提供了更为强大的侧向约束力和竖向摩擦力作用,如图2所示。侧向约束力的大小由格室材料的抗拉强度控制。,桩间土体开始收到荷载作用并产生压缩变形,加上桩体侧向鼓胀变形的影响,浅层的桩间土开始变得密实,其承载力得到提高。密实的桩间土对碎石桩桩体上部变形具有更大的约束作用,从而保证碎石桩不会过早破坏,其承载力得到充分发挥,荷载经过土工格室加筋碎石垫层的均化和扩散作用,最终由土工格室垫层+碎石桩复合地基这一体系共同承担。上述即为土工格室加筋碎石垫层与碎石桩复合地基相互作用机理。2承载力计算方法探讨由以上分析可知,土

9、工格室+碎石桩复合地基有其特殊性,土工格室更是有别于一般垫层,因此,其承载力计算不能简单套用碎石桩复合地基计算公式,本文建议,对其进行适当的简化,将承载力分为上下两部分之和。2.1碎石桩复合地基承载力计算这里采用面积比进行计算。其关键是求得桩土应力比。首先以圆孔扩张理论分析求得复合地基受力过程中桩土应力应变,推导出桩土应力比的计算公式:假定桩体和桩周土为线弹性体,桩体的应力应变可表示为7:1-rp=(1+Kprpp)(1-2p)()=2-zpprp(1+Kpp)(1-2p)(1)图2土工格室加筋的强度机理Figure2strengthmechanismreinforcedbygeocell网兜

10、效应。土工格室+碎石垫层结构体在外力的作用下会形成凹曲面,凹面上土体对结构体向下的压力大于凹面下土体向上的反力,超出部分由土工格室提供的向上的托举力平衡托举力的存在增强了土体承受荷载的能力,减少了软基的沉降,即所谓“网兜效应”。应力扩散和柔性筏基效应。土工格室+碎石垫层具有较大的应力扩散角,能够有效扩散上部路堤传来的荷载。同时,填料与格室紧密结合,相互作用,共同工作,构成了一个相对软弱下卧层而言具有相当大的抗拉,抗弯和抗剪强度的复合体,这种复合体可视作一种柔性的筏板基础,具有将荷载向路堤两侧转移,降低应力峰值,均化应力分布的作用。根据文献2的研究,土工格室处理软弱路基模型试验中竖向应力峰值减少

11、约20%30%,现场试验工式中:Ep,p分别为碎石桩的变形模量及泊松比;径向及环向zp,rp,p分别为碎石桩单元体的竖向、应变;zp,rp分别为碎石桩单元体竖向应力与径向应力;Kp为碎石桩径向应变与竖向应变之比,Kp=0.5时,桩体变形时桩体体积保持不变;Kp=0时,桩第4期杨明辉,等:土工格室+碎石桩复合地基承载机理及承载力计算方法探讨7体只有竖向变形,没有侧向变形;制桩时桩体材料不可能十分密实,因此它受荷载作用同时发生竖向体积压缩和侧向体积膨胀变形,故一般0<Kp<0.5。由圆孔扩张理论,桩周土的应力分布为:r=2+2Cr=-2+2Cr型如图3所示,桩距为S。2.1.1ru&l

12、t;S/2此情况是由于碎石桩直径较小或桩间距较大,桩体间侧向扩张作用发生在局部位置,不存在重叠。可以得到桩周土体的平均径向应力为:drrrrsruru-22(2)rs=r=r=0r=E()r-rp=r2u1-r22dr=rp+rp(8)应力边界条件为:r=rpr=0=u由此可解得:22rs=221-2ru-rpru-rp222,即zs=zp=-rp/Kp,则桩土应力比为:(3)r)()(=Es(1+zsp)(1-2p)(ru+rp)+(9)(2EpsKp-p)rp代入式(8)或式(9),即可得到复合地基极限承载力。n=s=1+r22(4)式中:rp,ru分别为碎石桩桩体直径及扩张作用的影响半径

13、;r为桩周土体某点距碎石桩圆心的距离;rs,s分别为桩周土体某点的径向及环向应力。由桩土侧向变形彼此协调且连续可知,桩体的体积膨胀量应等于桩周土体的体积收缩量,即总的体积变化为零。所以有:r2p=rrpdrdrdrdrprsr2u(5)图3碎石桩的典型布桩形式Figure3typicalpilearrangement2.1.2ru>S/2从而桩体扩张的影响半径ru为:()(6)ru=rpexprpEs(1+s)将式(1)代入,得到:(-)E(K-)ru=rpexpEsKp(1+s)(1+p)(1-2p)(7)此时桩体的扩张作用会发生重叠,因此在计算桩土应力比时,应考虑重叠作用所引起的桩周

14、土体径向应力的消减。本文根据布桩形式进行简化,仅考虑计算桩体外第一排桩的影响,同时假定其作用是在以计算桩体的轴心为中心,半径为桩间距的范围内。如图5虚线所示。因此,桩周土的平均径向应力可表述为:(rrers1式中:Es,s分别为桩周土体的变形模量与泊松比;rs为桩周土体某点的径向应变。在以往承载力计算中,一般认为桩周土体均承受荷载,同时在计算置换率只考虑面积置换的因素,这与实际不符。桩体的侧向扩张作用是呈环状向四周扩散,而布桩形式一般为矩形或三角形,因此不可能完全覆盖碎石桩的桩周土体,故桩周部分土体可能处于无应力状态。为此,本文考虑桩体布置方式对侧向扩张作用的影响,提出承载力计算方法。模-rs

15、2)drrs=re-rp()-re(S-re)(S-rp)rp(10)从而可得到相应的桩土应力比计算公式:)(n=EsreA(1+p)(1-2zsp)+2sEprpB(11)其中:A=(S-re)(S-rp);8中南公路工程kp-122第30卷,p2为碎石桩复合地2kp-1B=(S-re-rp)(Kp-p)。上式中,re为等效影响圆半径,对于等边三角形布桩,有:当桩体为正方形布置时,则:S/20.564S由此得到复合地基极限承载力。re=re=式中:K1=基承载力。,K2=S/20.525S(12)3计算实例某高速公路途经洞庭湖区,工程水文地质条件复杂,存有大量的因冲积、淤积等外力地质作用形成

16、,沿线,在多处试验路段上9。利用该结果对本文方法进行了验证。复合地基极限承载力的计算结果及试验结果见表1。表1计算结果对比Table1comparisonofcalculationtotest试验位置105Ep(13)2.2土工格室承载力计算土工格室垫层受力模型,4,参数取值pEsppfs2.620.250.3265.结果对比psf理论值试验值19517924137由表可见,计算值与试验值相差不大,其差值能图4格室受力计算模型Figure4calculatemodeofgeocell满足工程精度要求,因此,采用本文方法对复合地基的承载力进行预测是可行的。内填料破坏时服从Mhor2Coulomb

17、屈服准则,因此,破坏时有:2(14)1=3kp+2ckp式中:kp=tan(45°+/2),c,为填料的粘聚力和摩擦角。由于格室的存在,将给填料提供侧向约束力,可根据Henkel和Gilbert的橡皮膜理论计算(假定格室体积保持不变)8:3=d04结论本文对土工格室+碎石桩复合地基这一新型地基形式,着重对其承载机理与承载力计算进行了研究,得到如下结论:全面分析了土工格室加筋碎石垫层处理的软弱路基以及一般加筋路基的作用机理和破坏机理;引进圆孔扩张理论,以考虑桩体的膨胀作用及桩土相互作用,得到了受荷过程中的桩土应力应变关系表达式;本文提出的土工格室+碎石桩复合地基承载力计算方法考虑了布桩

18、方式对桩体扩张作用的影响及土工格室的受力特点,并具有主观参数少的优点,对工程设计具有一定的参考价值。参考文献1刘杰,张可能.散体材料桩复合地基极限承载力计算J.岩1-0(15)式中:M为格室材料模量,kN/m;d0为格室初始直径;0为格室允许轴向应变。假定土工格室垫层主要通过格室间摩阻力来提供竖向反力,则有:=f×(3+3)式中:f为土工格室材料的摩擦系数。根据极限平衡原理:p1s0=s1+p2s2+p3s3(16)(17)土力学,2002,23(2):104107.2王家远,黄杰台.碎石桩复合地基承载力与沉降若干问题J.式中:s0为加固区面积;s1为土工格室侧面积;简化后,可得到土

19、工格室+碎石桩复合地基的承载力计算公式(p1=1):(18)p1=K1(f3+p2)-K2土工基础,1996,10(1):17.3BaumannV,BauerGEA.ThePerformanceofFoundationsonVariousSoilsStabilizedbytheVibro2compactionMethodJ.CanadianGeotechnicalJournal,1974,3(2):509530.(下转第21页)第4期杨博铭,等:预应力锚索抗滑桩治理公路高陡边坡的应用21则锚索可配为:/4)×7×(15.242×10-6=1.27×10-

20、3m2锚杆锚固体与地层锚固长度:la=Dfrb1.0×3.14×0.13×1001参考文献1朱正武,李红超.高陡危岩边坡的综合整治J.探矿工程(岩土钻掘工程),2001,(增刊):110113.2谭宝龙,罗缵锦.喷锚网技术在高陡边坡防护中的应用J.中25.28m南公路工程,1998,23(3):2427.3MarcheR,SchneebergerCE.Bendingmomentspredictionin综上述,最后取锚索方案为7<15.24。该工程自2003年施工以来,一直正常,未出现不良现象。pilessubjectedtohorizontalsoilPr

21、ocZ.9thICSMFE,SessT:9899.4,E.4结语桩、预应力锚索支挡结构更加合理,具有材料利用率高、材料节约经济等显著特点;考虑变形协调计算结构体系的内力更加接近实际,对锚索锚固段与孔壁之间的滑动位移及锚索的弹性变形产生的位移应该进一步的研究。(上接第4页).)FSM.32DfiniteelementmodelofpilegroupsadjacenttosurchargeloadsZ.ComputerandGeotechnics,1996,19(4):301324.6田景贵,范草原.预应力锚索抗滑桩的机理初步分析及设计J.重庆交通学院学报,1998,17(4):5964.7林新,

22、刘伯莹,陈允法,等.预应力锚索抗滑桩技术的研究及应用J.公路文摘,2002,39(6):4653.8刘小丽.新型桩锚结构设计计算理论研究D.西南交通大学博士学位论文.2003,1628.Z.6RandolphM.F.theresponseofflexiblepilestolateralload2ingJ.Gotechnique,1981,31(2):247259.7BransbyM.F.32DFiniteElementModelingofPileGroupsAdjacenttoSurchargeLoadsJ.ComputersandGeothnics,1996,4(19):301324.8St

23、ewartD.P,JewellR.J&RandolphM.F.Numericalmod2分析,考察了单桩和群桩的不同情况,得到了桩土交界面上土压力分规律,拟合出桩上土径向压力分布的简化计算公式,同时考察了桩周土的塑性区域分布,桩间土的运动规律,得出了一些有意义的结论,有助于更深刻地理解土与桩的相互作用机理。参考文献1蒯行成,官邑,刘敦平.软土地区桥台在水平荷载作用下的结elingofpiledbridgeabutmentsonsoftgroundJ.ComputersandGeothnics,1993,2146.9SpringmanS.M,NgC.W.W&EllisE.A.Ce

24、ntrifugeandanalyticalstudiesoffullheightbridgeabutmentonpiledfoun2dationsubjectedtolateralloadingZ.1994,CUED/D-SOIL/TR278.10BransbyM.F.Planestrainanalysisoflaterallyloadedpile构分析J.中南公路工程,2004,29(2):4144.2StewartD.P,JewellR.J,RandolphMF.DesignofpiledbridgeabutmentsonsoftclayforloadingfromlateralsoilmovementsJ.Geotechnique,1994,(2):277296.3EllisE.A,SpringmanS.M.Full2heightpiledbridgeabut2me