刚性桩复合地基沉降计算方法_杨光华
第28卷 第11期
岩石力学与工程学报 V ol.28 No.11
2009年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov. ,2009
刚性桩复合地基沉降计算方法
杨光华12,苏卜坤23,乔有梁1
,
,
(1. 广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510610;2. 华南理工大学 土木工程系,广东 广州 510640;
3. 中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610)
摘要:基于原状土切线模量法,对刚性桩复合地基的沉降计算提出一种新的沉降计算方法。该方法用切线模量法分别计算基础下土体和刚性桩的荷载–沉降过程曲线。依据共同作用时桩和桩间土的沉降相等的条件,对土体和刚性桩的荷载–沉降过程曲线进行复合得到刚性桩复合地基的荷载–沉降过程曲线,则刚性桩复合地基的沉降可以根据其荷载–沉降曲线得到。对于有复合地基的载荷试验的情况,提出直接利用其试验曲线建立复合地基的双曲线切线模量方程,利用该方程计算实际基础的沉降。通过工程实例表明,新的沉降计算方法具有较好的精度。 关键词:桩基础;原状土切线模量法;刚性桩复合地基;沉降计算
中图分类号:TU 47 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2009)11–2193–08
METHOD FOR CALCULATING SETTLEMENT OF RIGID-PILE
COMPOSITE FOUNDATION
,,
YANG Guanghua12,SU Bukun23,QIAO Youliang1
(1. Guangdong Provincial Institute of Water Resources and Hydropower,Guangzhou ,Guangdong 510610,China ; China ;3. China Pearl 2. Department of Civil Engineering,South China University of Technology,Guangzhou ,Guangdong 510640,
River Water Resources Planning,Surveying and Designing Co. ,Ltd . ,Guangzhou ,Guangdong 510610,China )
Abstract :Based on undisturbed soil tangent modulus method,a new practical settlement calculation method for rigid- pile composite foundation is proposed. The load-settlement curve of soil under foundation and the load-settlement curve of rigid-pile are obtained by the undisturbed soil tangent modulus method. Considering that the settlement of pile and soil is equal when they support the foundation jointly,the load-settlement curve of the rigid-pile composite foundation is obtained based on the load-settlement curve of soil and the load-settlement curve of rigid-pile ,then the settlement of rigid-pile composite foundation can be gotten from the load-settlement curve. For the composite foundation with loading test,the settlement of rigid-pile composite foundation can be calculated by the hyperbola tangent modulus equation which is put forward by directly using the test curve. The practical examples prove that the new method has more precision for settlement calculation. Key words:pile foundations;undisturbed soil tangent modulus method;rigid-pile composite foundation;settlement calculation
旋桩、预制混凝土桩等,更有CM 桩法[2]等刚柔性
1 引 言
刚性桩复合地基是目前地基处理中发展较快和较好的方法。目前应用较多的主要有CFG 桩[1]、螺
收稿日期:2009–07–10;修回日期:2009–08–29 基金项目:广东省水利基金资助项目
复合桩基。由于刚性桩复合地基质量可控,承载力较高,适应性广,且具有良好的经济效益,成为越来越广泛应用的地基处理方法。其不仅可以应用于像上海等深厚软土地基,也可以应用于北京、广东
作者简介:杨光华(1962–) ,男,博士,1982年毕业于武汉水利电力学院电厂结构工程专业,现任教授级高级工程师、博士生导师,主要从事土的
• 2194 • 岩石力学与工程学报 2009年
等深厚土层的高层建筑基础,是一个具有良好应用前景的地基处理方法,刚性桩复合地基的结构如图1所示。
性主要取决于桩的荷载分担值的合理性以及桩基沉降计算的准确性。
方法三是双层地基应力法[6],即对桩间土的压缩和桩底以下非加固区土进行沉降计算。而该方法关键在于桩间土应力确定的合理性,桩底非加固区的应力考虑了加固区的影响。
方法四是黄绍铭等[7
,8]
提出的上海方法,即当
外荷载小于各单桩极限承载力之和时,假定外荷载全部由桩基承担,计算桩基的沉降即是复合桩基的沉降;当外荷载之和大于各桩极限承载力之和时,则超出部分荷载由承台下地基土承担,此时沉降由桩基沉降加上承台沉降,承台沉降按分层总和法计算。
显然,以上各方法中,对土体的沉降计算采用
图1 刚性桩复合地基
Fig.1 Rigid-pile composite foundation
的土的参数仍然用压缩模量E s 。用压缩模量E s 计算沉降本身误差较大[10]。同时对于桩的沉降,若按控制沉降量的思想,桩可以设计成塑性桩[9],则在受荷过程中桩的沉降量是非线性的。计算桩的非线性沉降,目前还比较缺乏实用有效的计算方法。因此,就现有的方法,地基沉降和桩基非线性沉降计算都存在较大误差,较难解决好刚性桩复合地基中桩土的共同作用问题。
切线模量法较好反映了土的原状性和非线性,是一种较好的沉降计算法。杨光华[11]曾在原位土双曲线切线模量法[10]基础上,提出了刚性桩复合地基沉降计算的一个设想,本文在此用具体的工程实例对其进行进一步的完善和实践,其思想是把土和桩假设是2个相对独立的受力体系,分别采用原状土切线模量法计算土体的非线性沉降和刚性桩的非线性沉降。由桩、土共同作用复合成刚性桩复合地基的p -s 曲线,通过复合地基的p -s 曲线确定其荷载对应的沉降,可以考虑非线性变形及其过程,并通过工程实例详细说明其方法的过程,同时验证其合理性。
刚性桩复合地基目前虽然在快速发展和推广应用,但对其承载力和沉降计算方面的研究,工程实践中仍缺乏行之有效的设计计算方法。因此,迫切需要进行深入研究,提出简便、实用、有效的设计计算方法。
目前刚性桩复合地基的沉降计算方法思想主要是把沉降分为加固区沉降s 1和非加固区沉降s 2两部分。总沉降等于两部分之和,即s =s 1+s 2。不同方法的区别主要是s 1和s 2的计算不同4种方法。
方法一是规范方法,该方法对加固区和非加固区均采用分层总和法计算其沉降,应力按Boussinesq 方法计算。加固区各层土的复合模量为
[3]
[4,5]
。通常的工
程实用方法均是采用分层总和法为主,目前主要有
E sp =ζE s (1)
ζ=
f spk f ak
(2)
2 基于原状土切线模量法的刚性桩复
合地基沉降计算方法
对桩有一定的间距时,可以假设把桩、土看作为2个相对独立的受力体系,对土体的沉降计算,假设忽略桩的存在的影响,按原状土切线模量法[9]可计算基础非线性沉降过程的荷载p 和沉降s 的关系曲线,如图2中曲线s s 所示,同样,对单桩沉降,桩端采用切线模量法并结合荷载传递法[12]可计算式中:f spk 为复合地基承载力的特征值,f ak 为基础底面下天然地基承载力的特征值,E s 为基础底面下各层土的压缩模量。其中,分层总和法采用建筑地基规范的经验公式,该式存在f spk 的确定、沉降经验系数的取值及对硬土E s 的取值误差大等问题。
方法二是桩身压缩量法[2],即复合地基的沉降
第28卷 第11期 杨光华,等. 刚性桩复合地基沉降计算方法 • 2195 •
kPa 。闸室底板尺寸、闸墩布置及典型地质钻孔布置如图3所示。底板下布设CFG 桩共451根,闸墩下间距为2.0 m×2.0 m,其余部位为2.5 m×2.5 m。桩的平面布置如图4所示。桩端要求进入含砾粗砂层不少于3d ,d 为CFG 桩直径,d = 500 mm。闸底板底标高为-2.50 m,桩顶标高为-2.80 m,桩长基本为等长,平均桩长为22.0 m。设30.0 cm粗砂褥垫层,水闸典型地质剖面图如图5所示,相应地质力学参数如表1所示。鉴于该水闸的重要性,在工程桩施工前进行了系统的试验桩试验,分别进行了桩间土、天然地基、单桩和单桩复合地基的压板载荷试验,桩间土和天然地基采用直径为800.0 mm,面积为0.5 m2的钢板,单桩复合地基针对间距 2.0 m×2.0 m进行,采用的压板尺寸为2.0 m×2.0 m,厚为40.0 mm的方形钢板,相应试验位置的地质剖面图如图6所示(其中,N 为标贯击数,n ′为桩段数) ,土体参数见表2。天然地基和桩间土平板荷载试验曲线如图7所示。按双曲线模型法[10],对桩间土试验的荷载p 和沉降s 的关系可表示为
s
=as +b (4) p
由式(4)进行拟合反算得
s sp
图2 刚性桩复合地基沉降计算模型
Fig.2 Calculation model of rigid-pile composite foundation
当然,s p 曲线也可通过单桩载荷试验获得。s s 也可利用小尺寸压板试验曲线,通过切线模量法计算实际基础荷载沉降曲线而得到。
当已知单桩的p -s 曲线s p 和基础作用于地基土上的p -s 曲线s s ,则可以通过共同作用求出刚性桩复合地基的载荷沉降曲线s sp 。如图2所示,对于任何一沉降值s i ,对应于单桩的p -s 上的荷载为p i p ,对应于基础下地基土体的p -s 上的荷载为p i s ,当基础下有n 根桩时,则有n 根桩的复合地基对应于沉降值s i 时的荷载为p i sp ,可表示为
p i sp = +np i p p i s (3)
对应不同的沉降值,同理,通过单桩的p -s 曲线和基础下地基土体的p -s 曲线可以求得相应n 根桩对应的复合地基的对应的荷载值,由此可以求得整个刚性桩复合地基上基础的非线性荷载–沉降曲线,如图2中的s sp 曲线所示,则不同荷载作用下对应的刚性桩复合地基的沉降可由s sp 曲线上得到。
a =0.022 58,b =0.002 62 (5)
1
p u ==381.7 (kPa) (6)
b
初始切线模量为 D (1−μ2) ωE 0==
a
0.8×(1−0.32) ×0.79
=25.47 (MPa) (7)
0.022 58
3 工程应用实例
本文以广东省芦苞大型水闸采用CFG 桩进行地基处理的工程实例来说明该方法的应用。
该水闸底板采用整体混凝土板基础,底板尺寸为92.0 m×22.0 m×2.0 m(长×宽×厚) ,采用CFG 桩复合地基处理,要求复合地基承载力特征值为300.0
式中:a ,b 均为双曲线方程系数;p u 为地基极限承载力;ω为几何形状系数;D 为压板的直径;μ为土的泊松比。
由p u 反算ϕ=33°,考虑到该试验仅是代表浅层的指标,对于压板底2.0 m以下土层,按表2所示选取参数。已知各层土的c ,ϕ和E 0对于2.0 m×
图3 水闸闸室底板平面图(单位:mm) ′
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CFG 图4 CFG桩平面布置图(单位:mm) Fig.4 Layout plan of CFG piles(unit:mm)
标高/m
图5 1–1′地质剖面图 Fig.5 Geological profile 1–1′
表1 水闸基础下土层的主要力学指标表 Table 1 Primary mechanical parameters of soils under
foundation of sluice
土层 编号
土层名称 含砾粗砂 淤质黏土 淤质细砂 中粗砂 含卵石粗砂 风化土
黏聚力 c /kPa
内摩擦角 ϕ/(°)
初始切线模量
E 0/MPa
算其p -s 曲线与试验桩的p -s 曲线比较如图9所示。
压板荷载试验时桩顶设置15 cm垫层,垫层的变形模量按80.0 MPa计算,且垫层的压缩量可表示为
p Δh Δs s = (8)
E
则考虑垫层后桩的沉降为
s p =s p +Δs s (9)
考虑垫层后桩的p -s 如图10所示。则复合地基的p -s 曲线可以计算为:某一沉降值处复合地基的荷载等于相同沉降处2.0 m×2.0 m压板的荷载迭加上有垫层时桩对应的荷载,由此合成所得的计算复合地基的p -s 曲线与复合地基试验曲线比较如图11Q 14
2 - 5
Q 3
0.0 9.8 6.0 0.0 0.0
33.0 12.0 24.0 32.0 34.0
100 12 30 80 140 200
2 - 3Q 3 2 - 1Q 3
E 35.0 25.7
2.0 m压板的复合地基试验,可以计算出无桩时压
第28卷 第11期 杨光华,等. 刚性桩复合地基沉降计算方法 • 2197 •
p /kN
s /m m
2
图8 4 m 压板土的p -s 曲线
Fig.8 In-situ plate of 4 m2 loading test curve
p /kN
05s /m m
图6 试验桩的地质剖面图 Fig.6 Geological profile of CFG pile test
表2 试验桩处土体物理力学参数表 Table 2 Mechanical parameters of soils nearby CFG
pile test
土层名称 细砂 中砂 粉砂 中砂 粗砂 砾砂
c /kPa
图9 计算与试验单桩p -s 曲线对比
Fig.9 Comparison of p -s curves of a single pile between
calculation and experiment
ϕ/(°) E 0/MPa
/kN p
05s /m m
0 25 40 0 30 80 0 20 50 0 32 100 0 34 120 0 36 180 p /kPa
s /m m
图10 考虑垫层后采用切线模量法计算单桩p -s 曲线 Fig.10 p -s curve of a single pile after considering effect of
cushion by modulus method tangent
对于整体基础,当不考虑桩存在时,按切线模量法对其进行分层沉降计算。各土层参数根据地质报告并结合经验取值如表1所示,计算结果如图12(a)所示。由图12(a)可见,若不做地基处理,沉降值较大,当采用荷载表达时,451根桩、天然地基上底图7 天然地基和桩间土的平板载荷试验曲线 Fig.7 In-situ plate loading test curves in natural subgrade and
soil between piles
• 2198 • 岩石力学与工程学报 2009年
p /kN
051015s /m m
p /kPa
[1**********]550
由图示,为s /m m
(a) 水闸基础下土体
y =
p /kN
s
=a +bs (10) p
s /m m
对式(10)进行拟合计算得
a = 0.006 528,b = 0.001 257 (11) D (1−μ2) ωE 0==
a
2×(1−0.32) ×0.88
=245.34 MPa (12)
0.006 528
P u =
1
=795.8 kPa (13) b
第28卷 第11期 杨光华,等. 刚性桩复合地基沉降计算方法 • 2199 •
20
水闸 0+000
S7(24 mm) S5(35 mm)-2.5 m
S3(24 mm)-2.5 m
S1(29 mm)
S8
S6S4
S2
注:S2,S4,S6和S8由于闸门遮挡未测到最终沉降
图13 水闸沉降观测结果(单位:mm)
Fig.13 Results of measured settlements of sluice foundation(unit:mm)
p /kPa
s /m m
代入式(14),则可得c =27.91 kPa。同样方法,根据
#
,E 0= 试验点A60曲线,求得c = 27.3 kPa,ϕ = 25°
图14 4单桩复合地基试验p -s 曲线
#
193.6MPa 。
用已求得的c ,ϕ和E 0,采用切线模量法计算整个水闸基础的复合地基的p -s 曲线,结果如图16所示。
p /kPa
s /m m
#)
#)
Fig.14 p -s test curve of a single pile No.4 with composite
foundation
p /kPa
s /m m
图16 水闸基础的p -s 曲线 sluice
Fig.16 p -s curves of whole composite foundation of
当荷载为p = 300 kPa时,计算得到水闸基础的沉降为35.0~43.5 mm(见图18) ,而实测沉降为24~
图15 单桩复合地基荷载试验曲线
Fig.15 p -s test curves of a single pile with composite
foundation
35 mm,最大值为35 mm,与计算值比较接近。
5 结 论
刚性桩复合地基的沉降计算一直还欠缺有效实用的方法,关键在于参数的合理确定和计算模型的选择。本文采用原状土切线模量法,可以较好反映原状土的变形参数,可以分别计算基础的荷载沉降非线性过程和桩基非线性沉降过程,在假设桩和土
1
P u =γbN r +qN q +cN c (14)
2
这里:N r =10.88,N q =10.66,N c =20.72,γ=20
kPa ,b =2 m,q =0。
假设ϕ = 25°,可以反算土的c 值。把式(13)
• 2200 • 岩石力学与工程学报 2009年
是相对独立的2个体系下,通过桩和土的共同作用得到复合地基的荷载–沉降曲线,这种能考虑非线性的计算是以往按线弹性方法所不及的。根据该曲线可以得到复合地基的沉降,方法较好地考虑了土、桩的共同作用和沉降的非线性,具有较好地计算精度,可为刚性桩复合地基的沉降计算提供一种新的思路。
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