复合地基褥垫层的作用及其最小厚度的确定
第27卷 第7期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.7 2005年 7月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July, 2005
复合地基褥垫层的作用及其最小厚度的确定
周龙翔1,2,童华炜2,王梦恕1,张顶立1
(1.北京交通大学 土建学院,北京 100044;2.广州大学 土木工程学院,广东 广州 510405)
摘 要:褥垫层下复合地基桩间土的沉降大于桩体的沉降。由褥垫层的受力机理导出计算刚性结构层下褥垫层最小厚度的理论公式。
关键词:褥垫层;最小厚度;沉降
中图分类号:TU 472 文献标识码:A 文章编号:1000–4548(2005)07–0841–03
作者简介:周龙翔(1965– ),男,山西五台人,高级工程师,注册土木工程师(岩土),博士研究生,主要从事岩土工程的研究、工程实践与教学工作。
Study on the role of cushion of composite ground and its minimum depth
ZHOU Long-xiang12, TONG Hua-wei2, WANG Meng-shu1, ZHANG Ding-li1
,
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. College of Civil Engineering,
Guangzhou University, Guangzhou 510405, China)
Abstract: Under cushion the settlement of soil between deep mixing piles (or CFG piles ,concrete piles) is bigger than that of the piles.A formula to calculate the minimum thickness of cushion under rigid structural layer was derived by mechanics analysis on the cushion column above the pile. Key words: cushion; minimum thickness; settlement
0 引 言
深层搅拌桩、CFG 桩、碎石桩以及低标号素混凝土桩复合地基具有施工速度快、加固效果好、造价适中的优点,在公路、铁路、机场、堆场等地基处理中得到广泛应用。
在计算复合地基加固区范围内的压缩变形时,常假定桩体变形与桩间土的变形相等。如被广泛采用的基于上述假定的复合模量法按下式计算加固区土层压缩变形S 1[1]。
S 1=
(P z +P zl ) L
, (1)
2E sp
在褥垫层及其上荷载作用下,复合地基采用上述假定和公式的计算结果与观测结果相比差距很大。
1 现场监测结果与分析
1.1 场地地质情况及地基处理方法
广东某高速公路路基位于软土地基上。
场地地质情况为:①层素填土,厚2.0 m,已经人工碾压,密实度较好;②层淤泥,厚约5.0 m,流塑,夹薄层粉砂,高压缩性,是地基处理的主要地层;③层粉质粘土,厚约3.3 m,中等压缩性;④层全风化砂岩;②、③层土物理、力学性质指标见表1。
采用深层搅拌桩处理软土地基。深层搅拌桩桩长7.5 m,桩端进入③层约0.5 m。桩间距1.0~1.2 m,桩径0.5 m,水泥掺入量50 kg/m。深层搅拌桩顶部铺设0.5 m厚粗砂垫层。砂垫层以上填土高度4.6 m。 1.2 分层沉降监测与分析
分别选取桩间距为1.0、1.2 m的B 、C 断面在桩间土、桩中埋设分层沉降仪,测得沉降稳定时B 、C 断面桩间土、桩中分层沉降–深度曲线见图1。
由图1看出,在加固区中上部搅拌桩桩间土的沉
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收稿日期: 2004–08–13
式中 P z 为复合土体顶面处的附加压力;P zl 为复合土体底面处的附加压力;L 为桩长;E sp 为复合土体压缩模量。
E sp =mE p +(1−m ) E s , (2)
式中 E p 为复合地基中桩的压缩模量;E s 为桩间土的压缩模量。
基于上述假定还可推出桩土应力比n 满足:
σp E p n == 。 (3)
σs E s
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表1 土的物理、力学性质指标
Table 1 The physico-mechanical parameters of soils
层号 ② ③
土类 淤泥 粉质粘土
含水量w /% 57.7 22.2
重度γ/(kN・m -3) 16.2 20.9
比隙比e 1.54 0.57
液限w l /% 44.05 24.68
塑性指数I p /% 16.36 11.70
压缩系数a 1~2
/MPa-1
1.157 0.282
渗透系数k /(10-6cm ・s -1)
6.74
固结系数C v /(10-3cm ・s -1)
3.55 1.36
快 剪 ϕ/(°) 17.0 28.7
10.7 19.1
降大于桩的沉降,在桩顶处两者的差异沉降最大,B 断面差异沉降7 mm(桩间土的总沉降量34 mm,差异沉降占总沉降量的20%),C 断面差异沉降6 mm(桩间土的总沉降量43 mm,差异沉降占总沉降量的14%),桩间土与桩的差异沉降随深度逐渐减小,在加固区下部桩的沉降略大于桩间土的沉降,桩端以下下卧层的沉降已基本相同。
桩土应力比高,无法发挥桩间土的作用,甚至造成桩顶以上结构层的破坏。因此对于刚性结构层下的搅拌桩复合地基必须设置一定厚度的褥垫层,通过褥垫层的调节,既能发挥桩间土的一部分承载作用又能保证结构层的均匀沉降。褥垫层由碎石、砂、素土或灰土等材料分层填筑碾压而成。
由于在深层搅拌桩桩顶平面(即褥垫层底面)桩间土的沉降大于桩顶面的沉降,从而使桩间土上部褥垫层的沉降也大于桩顶上部褥垫层的沉降,此差异沉降随距离桩顶平面高度的增加而减小。在某一高度处,此差异沉降减小为0[3]。此高度即为褥垫层的最小厚度。褥垫层的最小厚度应按照褥垫层顶面为均匀沉降面来确定,即由于褥垫层的调节作用,使褥垫层顶面各点沉降量相等,从而使其上的结构层均匀沉降。
设褥垫层上作用均布荷载P 0,褥垫层厚度为h ,垫层材料内摩擦角为ϕ,粘聚力为0,重度为γ,深层搅拌桩桩径为d ,复合地基置换率为m ,桩顶面处桩土应力比为n 。
取桩顶上直径与桩相同,高度为h 的褥垫层土柱为隔离体研究对象,如图2。
图1 断面桩间土、桩中分层沉降-深度曲线
Fig. 1 Settlements of soil and deep mixing pile at different depths
可见,在褥垫层及其上荷载作用下,搅拌桩桩间土与桩体之间存在较大的差异沉降,在加固区中上部桩间土的沉降量大于桩体的沉降量,致使搅拌桩中上部桩侧产生负摩擦力。
1.3 桩土应力比监测与分析
B 、C 断面分别在桩顶、桩间土埋设土压力盒,测得沉降稳定后B 、C 断面的桩土应力比分别为4.88、3.25。室内试验测得水泥土、原状土的压缩模量分别为:22.0、2.2 MPa。桩土模量比为10.0。
显然,在荷载作用下,假定搅拌桩桩间土、桩体变形相等是不恰当的。桩土应力比与桩土模量比并不相等,差距很大。
图2 深层搅拌桩顶褥垫层柱状隔离体受力分析
Fig. 2 Forces acting on the cushion column
2 褥垫层的作用及其最小厚度的确定
如果在深层搅拌桩桩顶直接设置刚性结构层(如混凝土路面),由于桩体、桩间土同步沉降,必然造成
由于在褥垫层顶面处隔离体与周围褥垫层沉降变
形同步,隔离体侧面所受的侧摩阻力为0,而在褥垫层底面处隔离体与其周围褥垫层差异沉降最大,侧摩阻力也最大,极限值为(P 0 +γh ) k p tan ϕ。隔离体侧面所受的摩阻力方向向下,大小由褥垫层顶面至底面依次增大,假设按线性分布,则隔离体所受的侧面摩阻力为
(P 0+γh ) hk p tan ϕ⋅π⋅d
, (4)
2ϕ
式中 k p =tan 2(45o +为被动土压力系数。
2
第7期 周龙翔,等. 复合地基褥垫层的作用及其最小厚度的确定 843
则隔离体平衡方程为 (P πd 2πd 2π20+γh ) hk p tan ϕ
d +γh +P =P d , (5) 0p
2444
nP
式中 P P 为桩顶作用的分布荷载,P p =。
1+m (n −1)
在大面积堆载下P =P 0 +γh 。
将式(5)化简,并求解可得褥垫层顶面处荷载均布时,顶面均匀沉降的褥垫层最小厚度计算公式:
n [−1]d 1+m (n −1) h = 。 (6)
2k p tan ϕ例:砂垫层ϕ = 30°,深层搅拌桩直径d =0.50 m,桩顶面处桩土应力比n =4,桩间距为1.2 m,梅花型布桩,则置换率m =0.157。将上述各值代入式(6)得h =0.25 m。
上述分析过程及计算公式同样适用于碎石桩、CFG 桩、素混凝土桩复合地基。
3 结 论
(1) 在褥垫层及其上荷载作用下复合地基加固区范围内桩间土与桩存在较大的差异沉降。桩间土、桩沉降变形相同假定是不恰当的。由于桩侧中上部产生负摩擦力,采用现场桩顶复合地基载荷试验不能模拟在褥垫层及其上荷载作用下复合地基中桩及复合地基的受力性状及变形特征,只能用于模拟刚性基础下复合地基的情况或检验桩身质量。
(2) 复合地基与刚性结构层之间需设置一定厚度的褥垫层。褥垫层的厚度与桩土应力比、置换率、桩径、垫层材料有关,可按式(6)进行计算。 参考文献:
[1] JGJ79-2002, 建筑地基处理技术规范[S].
[2] 龚晓南.复合地基[M].杭州:浙江大学出版社,1992. [3] 刘吉福.路堤下复合地基桩、土应力比分析[J].岩石力学与
工程学报,2003, 22(4):674–677.
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