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现行复合地基沉降理论

日期:2008年6月10日 11:17

  现行复合地基沉降理论在不同刚度基础下复合地基中应用研究

  摘 要:现行复合地基沉降变形理论,是基于桩土变形一致的刚性基础下的复合地基建立的,在桩土变形不一致的柔性基础下(如公路地基)中应用时,误差很大。本文将模型试验成果及实际工程的实测值与理论计算值进行了比较,分析误差及原因,并就解决办法进行了讨论。

  关键词:不同刚度基础;复合模量法;应力修正法;弹性力学平面问题理论

  1 现行复合地基沉降变形理论

  通常把复合地基沉降量分为二部分(见图1),复合地基加固区的厚度为H,加固区的压缩量记为S1;地基压下卧层厚度为(Z-H),下卧层的压缩量记为S2。故在荷载作用下复合地基的总沉降S可表示为二部分之和。至今提出的复合地基沉降实用计算方法中,对下卧层压缩量S2大都采用分层总和法计算,而对加固区范围内的土层压缩量S1则针对复合地基的特点采用一种或几种 计算方法。主要有复合模量法和与应力修正法。 图1 复合地基沉降示意图

  1.1 复合模量法

  将复合地基加固区中增强体和土体视为一复合土体,采用复合压缩模量Ecs来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算加固区土层压缩量。将加固区分成n层,每层复合土体的复合模量为Ecsi,加固区土层压缩量表示为

  (1)式中 ——第i层复合土上附加应力增量;

  Hi——第i层复合土层的厚度

  竖向增强体复合地基复合土层压缩模量Ecs,通常根据弹性力学的平面问题理论,采用面积加权平均法计算,则

  (2)式中Ep——桩体压缩模量;

  Es——桩间土压缩模量;

  m——复合地基置换率。

  复合土体的复合模量也可采用弹性理论求出解析解或数值解。使桩和桩间土有一均匀的竖向压缩 ,即 =常数,因此属于广义平面应变问题,可得

  (3)其中vp,vs——分别为桩体和土体的泊松比;

  m——复合地基置换率;

  1.2 应力修正法

  在竖向增强体复合地基中,增强体的存在使作用在桩间土上的平均荷载密度比作用在复合地基上的平均荷载密度要小。在采用应力修正法计算压缩量时,根据桩间土分担的荷载,按照桩间土的压缩模量,忽略增强体的存在,采用分层总和法计算加固区土层的压缩量。

  竖向增强体复合地基中桩间土分担的荷载为

  (4)式中p——复合地基平均荷载密度;

  ——应力减少系数或称应力修正系数;

  n和m——分别为复合地基桩土应力比和复合地基置换率。

  复合地基加固区土层压缩量采用分层总和法计算,其表达式为

  (5)式中 ——未加固地基(天然地基)在荷载P作用下第i层土上的附加应力增量;

  ——复合地基中第i层桩间土中的附加应力增量;

  S1s——未加固地基(天然地基)在荷载P作用下相应厚度内的压缩量;

  ——应力修正系数,

  2 现行复合地基沉降变形理论在不同刚度基础下的复合地基中的应用

  2.1 模型试验应用结果

  本文作者曾就不同刚度基础下复合地基性状进行过模型试验。淤泥质粘土中,采用静压成孔、分层回填法,制作直径120mm、长2m、水泥掺入量18%的模型桩,桩底、桩身、桩头埋没测试元件与设备,用铁板上加荷模拟刚性基础、用相同底面积正台形木斗、内装砂法模拟柔性基础,置换率采用15%,分别进行了四组试验,主要成果如下:

  表1 刚性基础下复合地基试验结果

  总荷载(kg)   桩荷载(kg)   土荷载(kg)   桩土荷载比   桩土应力比   计算变形(mm)

  160320480640660   107.8232.0352.03950.0342.0   52.288.0128.0245.0318.0   2.0652.6362.7501.6121.075   11.7515.0015.659.176.12   0.721.251.954.9010.00

  表2 柔性基础下复合地基试验结果

  总荷载(kg)   桩荷载(kg)   土荷载(kg)   桩土荷载比   桩土应力比   计算变形(mm)

  160230300365425   3647576269   124183243303358   0.2900.2570.1900.2050.193   1.651.461.081.171.10   1.382.002.943.925.82

  2.2 应用现行复合地基沉降计算理论,对上述试验结果进行计算,计算结果如下:

  表3 刚性基础下复合地基模型试验计算结果

  荷载(kg)   桩土应力比   复合模量法(mm)   应力修正法(mm)   实测值(mm)

  160320480640660   11.7515.0015.659.176.12   0.621.231.852.472.54   0.871.552.283.874.71   0.721.251.954.9010.00

  表4 柔性基础下复合地基模型试验计算结果

  荷载(kg)   桩土应力比   复合模量法(mm)   应力修正法(mm)   实测值(mm)

  160230300365425   1.651.461.081.171.10   0.620.891.161.411.64   1.662.443.334.014.71   1.382.002.943.925.82

  图1 刚性基础计算结果与实测结果比较     图2 柔性基础计算结果与实测结果比较

  2.3 上三线K29+129号段实测资料分析

  上三线一级汽车专用公路是沿海大通道浙江段的重要组成部分。第五合同段第K29+129号段采用桩径500mm,桩长15,置换率为20%的水泥搅拌桩复合地基对软土地基进行处理。根据模型试验取桩土应力比为5。上三线第五合同段土层的基本情况汇总于表5

  表5 上三线第五合同段土层基本情况

  层次   名称   层厚(m)   γ(kN/m)3   ω   Es(MPa)

  I1II2III3IV1   亚粘土淤泥质粘土亚粘土粘土   2.5102.55   19.417.319.419.4   27.446.326.625.6   7.233.204.1810.10

  2.4 应用现行复合地基沉降理论结上述工程进行计算,计算结果如下:

  表6 K29+129号段复合地基计算结果与实际沉降比较

  填土高度(m)   实际沉降(mm)   复合模量法(mm)   土应力比法(mm)

  1.151.721.742.62   448082150   28.14242.563.9   73.2109.5110.9166.9

  图3 K29+129号段计算沉降与实际沉降比较

  3 试验结果与实测资料对比分析

  从现行复合地基沉降变形理论在上述模型试验及工程实例中的应用结果看,在刚性基础下,当荷载不超过复合地基的承载力标准值时,复合模量法得到的计算值能够较好地接近试验结果,并且在荷载水平不超过1.5倍复合地基的承载力标准值时,两者的差距随荷载水平的增长始终能够保持在可以接受的范围内。因此对荷载水平不超过复合地基承载力1.5倍的情况时,现有的复合地基沉降的计算公式在刚性基础下是可行的。

  现有复合地基沉降变形理论在柔性基础下复合地基中应用时,即使在荷载水平较低时理论值也小于实际值,且随着荷载水平的增加,两者的差距扩大。可见该理论在柔性基础下复合地基中的应用是不合理,不安全的。

  出现下述情况的原因是因为:复合模量的表达式认为桩和土的变形,并且利用弹性力学平面问题理论将桩土的模量按面积加权综合考虑,这样就充分考虑了桩强度的发挥,这些假设比较符合刚性基础下复合地基变形的实际情况,因此复合模量法用在刚性基础中能够取得比较好的结果。而在柔性基础下,桩和土的变形有不协调的趋势,桩有相对刺入柔性基础中的趋势,桩的强度并不能充分发挥,这与复合模量法计算假设相差较大,因此会造成实测值比理论值大得多的情况。

  4 结论

  1. 现行复合地基沉降变形理论,在荷载水平不大的刚性基础下应用时,是安全可靠的;但荷载水平超过复合地基承载力标准值1.5倍时,应考虑其安全性。

  2. 现行复合地基沉降变形理论,在以公路为代表的柔性基础下复合地基中应用,是不安全,随荷载水平增加,计算值与实测值之差增大,这应引起高度重视。

  3. 加固区沉降计算理论,是解决柔性基础下复合地基沉降计算的关键问题,建议有条件时,对桩、土、基础三者采用有限方法进行复合地基沉降计算,本文作者曾就问题进行过一定的探讨。

  4. 应力修正法计算复合地基沉降变形时未采用桩土变形一致的条件,从理论上讲对任何基础下的复合地基均适用,但从模型试验可以看出,桩土应力比是随荷载水平变化而变化的,实际工程中很难准确确定,所以其实际应用价值很低。

  摘自《中国交通监理网》

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