新型CFG桩板结构复合地基沉降计算

2011-03-17张定邦

湖北理工学院学报 2011年1期

张定邦

(黄石理工学院土木建筑工程学院，湖北黄石435003)

1 新型 CFG桩板结构复合地基的沉降机理分析

新型CFG桩板结构是适用于处理深厚松软土地基的一种新的结构型式，该结构主要由CFG桩、钢筋混凝土桩和钢筋混凝土承载板组成［1］，其主要的工作机理是:通过承台板将上部荷载传递到桩体，桩体把荷载扩散到桩间土、下卧层或桩基底岩石层，从而达到控制松软土路基沉降与变形破坏的目的。CFG桩板结构复合路基示意图如图1所示。

CFG桩板结构复合地基的加固机理可以概括为桩体的置换作用、桩对土体的挤密和加筋作用以及承载板对外荷载的调整均化作用［2－4］。

在竖向荷载的作用下，桩板结构的承载板底面土、桩间土、桩端以下土都参与工作，承载板、桩群、土形成一个相互作用、共同工作的体系。

图1 CFG桩板结构复合路基示意图

在复合地基设计中，一般把承载板看作是联系各个桩，将上部结构荷载传递到桩上的一种构件。研究表明，桩与承载板的工作机理比较复杂，在桩与承台共同作用的情况下，它们可以像钢筋混凝土中钢筋与混凝土那样，进行应力再分配而互相调整。桩与承载板的共同作用提高了桩基础的承载力。

事实上，桩与承载板共同分担荷载的问题的实质是桩、承载板和土体的共同作用。桩与承载板的共同作用离不开土的参与，随着上部荷载的增加，荷载开始向桩转移，在荷载增加的过程中，荷载较多地传给桩体，而较小分配给土。对于摩擦型群桩，承载板的下沉引起其底下土的沉降，承载板将部分荷载转移给桩，桩由于受荷增大而产生相应的贯入沉降，这又会引起承载板对土的压力的增大，迫使桩间土进一步压缩。桩的贯入变形与桩间土的压缩变形就这样经历着反复循环、协调的过程。桩与承载板的共同作用，就是地基土的固结导致基础的沉降，从而产生桩与承台相互作用、相互影响的变化过程。

2 新型CFG桩板结构复合地基的沉降变形计算方法分析

2.1 目前采用的沉降计算方法

CFG桩板结构复合地基的沉降 S可以认为由3部分组成，CFG桩板结构复合地基沉降变形图如图2所示。

式(1)中:

S1—桩长范围内土的压缩变形;

S2—加固区下卧层的变形;

S3—承载板的压缩变形。

图2 CFG桩板结构复合地基沉降变形图

由于承载板厚度较小，刚度较大，其压缩变形量很小，因此可以忽略不计。加固区土的压缩变形S1和下卧层的变形S2可采用以下3种方法计算。

2.1.1 应力修正法

应力修正法的基本思路是:认为桩体和桩间土体压缩量相等，计算出桩间土的压缩量则可以得到复合地基的压缩量。在计算桩间土的压缩量时，忽略桩体的作用，根据桩间土分担的荷载，以桩间土的压缩模量，按分层总和法汁算。计算时采用荷载P在基础底面桩间土产生的附加应力作为荷载计算加固区压缩变形S1，采用荷载 P在下卧层产生的附加应力作为荷载计算下卧层压缩变形S2。

当荷载不超过复合地基承载力时，按下式计算复合地基沉降:

式(2)中:

n—加固区土分层数;

m—下卧层土分层数;

Δσ1i—桩间土应力在加固区第i层土中产生的平均附加应力(kPa);

Δσ2j—荷载P在下卧层第j层土中产生的平均附加应力(kPa);

Esi—加固区第i层土压缩模量(kPa);

Esj—下卧层第j层土压缩模量(kPa);

hi—加固区第i层土的分层厚度(m);

hj—下卧层第j层土的分层厚度(m);

ψ—沉降计算经验系数，参照《铁路路基设计规范TB10001－2005》取值。

2.1.2 复合模量法

复合模量法的原理是:将复合地基加固区的增强体和基体2个部分视为1个复合体，采用复合压缩模量Es表征复合土体的压缩性，采用分层总和法计算其复合地基加固区压缩量。计算时，按照地基的地质分层情况，将地基分成若干层，假定加固区的复合土体为与天然地基分层相同的若干层均质地基，不同的是压缩模量都相应扩大ξ倍，这样加固区和下卧层均按分层总和法进行沉降计算。

当荷载不超过复合地基承载力时，总沉降量S为:

式(3)中:

n—加固区土分层数;

m—总的分层数;

Δσi—荷载P在第i层土中产生的平均附加应力(kPa);

Esi—第i层土压缩模量(kPa);

hi—第i层土的分层厚度(m);

ψ—沉降计算经验系数，参照《铁路路基设计规范TB10001－2005》取值;

ξi—加固区第 i层土压缩模量放大系数，由下式确定:

式(4)中:

fsp—复合地基承载力标准值;

fk—天然地基承载力标准值。

2.1.3 桩身压缩量法

桩身压缩量法的基本思路是:计算出桩身的压缩量和桩身刺入下卧层的量就可以得到地基整体的压缩量。用公式表示为:

式(5)中:

Sp—桩身压缩量;

Sc—桩身刺入下卧层的量。

桩身压缩量由作用在桩身上的荷载和桩身的变形模量来计算，即:

式(6)中，l为桩长，n为下卧层分层数，其他符号意义同上。

2.2 沉降计算方法分析

目前，以上3种方法在工程上均在被采用，但是这3种方法均存在一定的局限性。

应力修正法适用于桩的面积置换率较低，桩间距较大的情形，此时以桩间土作为计算对象比较符合实际，但工程中置换率很低的情形毕竟是少数。再者，应力修正法忽略了桩的存在使附加应力衰减时产生的“遮挡”作用，这种作用致使桩间土附加应力比采用天然地基均质土层中的附加应力要大，尽管桩同时对桩间土在压缩过程中的变形产生了侧限作用，但工程实践表明采用式(2)计算时，所得得结果偏小，同时该方法还存在以下3个缺点:①计算时需要知道桩土应力比n，而该值很难确定;②计算中忽略了桩体的存在，无法反映桩体对桩间土的约束作用，因此计算出的压缩量值比实际偏大;③认为桩身与桩间土压缩量相等，这实际隐含有一个假定，即基础为刚性，在桩顶面桩土变形协调。

复合模量法采用了简单的压缩模量放大法，但是许多土类的压缩模量之比并不与承载力标准值之比相对应。尽管计算公式(3)中采用了《铁路路基设计规范TB10001－2005》中的沉降计算经验系数，但并不能完全反映以上因素。再者，采用此种计算法未考虑桩端土的强度，也未考虑软土在加固区的上部或下部所导致的不同结果。

桩身压缩量法需要计算桩身的应力，但是桩身应力计算牵涉到摩阻力的分布、端承力的大小以及桩顶应力等极难获得的量值，即使在最为简单的情况下，如假设摩阻力均匀分布和端承力为零的情况，也要牵涉到计算桩土应力比n值，n值也不易获得。

3 新型CFG桩板结构复合地基沉降计算实例

选取具有代表性的某高速铁路软土路基，分别运用上述计算方法对软土路基沉降量进行计算分析，并对比分析计算结果，找出相对较好的CFG桩板结构复合地基沉降计算方法。

3.1 地基土层基本参数

地基土体取自某高速铁路软土地基［5］，主要软土层在第2层，该地基土自上而下分述如下:

第1层:粘土，灰褐色，湿，松散，含生活及建筑垃圾。层厚:0.50～1.00 m。

第2层:淤泥质粘土，深褐色，软塑，局部流塑，干强度差。层厚:12～30 m。

第3层:亚粘土，黄褐色，软塑，局部流塑，干强度较差。层厚:10～13 m。

第4层:粉砂，灰褐色，可塑，切面稍光滑，干强度中等。

勘察范围稳定水位埋深4.8～5.2 m，为第4纪孔隙潜水。各层土的物理力学性质指标见表1。

表1 各层土的物理力学性质指标汇总表

3.2 计算条件

拟用CFG桩板结构对该地基进行处理，桩径0.5 m，有效桩长为15 m，按正方形布置，桩间距2.5 m，承载板长 ×宽 ×高:12.5 m× 10 m×0.70 m，单桩极限承载力取为500 kPa，垂直均布矩形荷载作用于承载板顶部，软土层厚度取为20 m;要求复合地基承载力特征值达到240 kPa。

3.3 计算结果及分析

运用前面列出的沉降计算公式对复合地基沉降量进行计算，计算结果分别如图3、表2所示。

图3 荷载—沉降关系曲线

表2 复合地基沉降计算结果(P=300 kPa)

应力修正法:计算中计算应力修正系数需要用到桩土应力比，由于影响桩土应力比因素很多，所以桩土应力比很难选用一个合理值，另外，由于在计算中忽略了桩体的存在致使计算值往往偏大。本工程用应力修正法计算结果为42.0 mm，可能是偏大的计算结果。

复合模量法:由于未考虑桩体和桩间土在荷载作用下共同作用引起的复合模量的改变，复合模量实际上要比计算中按桩体模量和桩间土的面积加权之和大，因此，可以认为复合模量法计算的结果是偏安全的。本工程用复合模量法计算结果为35.4 mm，应该是合理的计算结果。

桩身压缩量法:同应力修正法一样，计算中需要用到桩土应力比，

由于影响桩土应力比因素很多，所以桩土应力比很难选用一个合理值，另外，桩体刺入下卧层的刺入量也很难计算，并且桩底端的端承力的估计可能误差也会较大，桩侧的摩阻力的分布也会影响计算结果。本工程用桩身压缩量法计算，计算过程中桩体刺入下卧层的刺入量，由于很难计算，忽略处理，桩底端的端承力假定为0，结果为31.6 mm，可能是偏小的计算结果。

综上所述，由于复合模量法的计算影响因素比应力修正法和桩身压缩量法少，并且计算结果是偏安全的，所以该方法是一个相对较好的复合地基沉降计算方法。