关于竹桩复合地基工程实测及理论的探讨

唐建宇，唐纪宇

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明650051)

关于竹桩复合地基工程实测及理论的探讨

唐建宇，唐纪宇

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南昆明650051)

应用土力学的基本原理，根据工程实测数据，对竹桩复合地基的承载力、变形和固结特征进行了探讨，认识了其性能的实用性和科学性。

复合地基;竹桩;承载力;变形;固结;稳定性

0 引言

滇池草海由于各种污染，水草类浮游植物蔓延，加之垃圾倒入其中，使得草海淤泥沉积过厚，已经无法继续适合养殖和旅游观光，为此昆明市政府决定对其治理。治理方法是在草海边的低洼地带围埝，把淤泥抽入围埝以内让其固结沉降。由于围埝处于软土地基上，受荷后会产生较大的变形，进一步发展使地基失稳，围埝失效，为了使工程安全，经济合理，经各方研究决定，采用竹桩复合地基并进行试验研究。

1 场地工程地质概况

勋业乐海堆场围埝位于滇池湖积盆地北部西部地段，围埝及堆场位于围海选田而成的深水鱼塘内。

据钻孔揭露，拟建场地的主要地层及柱状图，见表1。工程力学指标见表2。

表1 地层图表Tab.1 Stratigraphic chart

表2 土层工程力学指标表Tab.2 Soil Engineering Mechanics Targets

2 浅层平板载荷试验与单桩承载力分析

在上述地层中打入φ10 cm的竹桩，使其嵌入力学性能较好的粉土层③中，深度7.2～8.4 m，采用2.0 m×2.0 m的承压板进行载荷试验，铺设承压板时，将承压板下的竹桩锯平至淤泥表面，在桩间用砂袋铺设。承压板下有竹桩4颗。技术要求符合《JGJ79—2002建筑地基处理技术规范》之附录A。

3个试验点处的承载力特征值分别为50 kPa，40 kPa和50 kPa。平均45 kPa，比泥炭质土提高了10 kPa。

竹桩系绝对弹性体材料，它是依靠周围土体的侧限阻力保持其形状并承受荷载的，其承载能力除与桩身材料的性质(刚度)有关外，主要取决于桩周土体的侧限能力。在荷重作用下，弹性材料，桩身抗弯刚度甚小，桩的存在将使桩周土体从原来主要是垂直向受力状态改变为主要是水平向受力状态，桩周土可能发挥对桩体的侧限能力对复合地基的承载力起关键作用。

对于长桩(l/d ＞10)，可用 snitko(1963)[1]提出的计算方法。这个方法假定桩是无限长的弹性柱体，具有弹性支承，它的变位由水平基床系数确定。地基土弹性抗力表达为

式中:k——地基土水平基床系数;

d——桩的直径;

y——水平位移。

对竹桩来说，限制侧向位移是发挥桩基垂直承载力的关键，即以限制侧向变形来估算地基土水平反力，进而推测桩的垂直承载力。

用“k”法来确定地基土水平基床数，见图1。

图1 基床系数Fig.1 Coefficient of Subgrade Reaction

根据场地土性，按昆明地区经验值取k=4 000 kN/m3。D取0.1 m，y取0.038 m(限制变形量，为一般柔性桩)

代入(1)得P=15 kN/m

以地基土所能提供的水平反力来推测单桩的垂直承载力标准值大约为15 kN。

通过该次12根竹桩载荷试验，用分别确定桩体承载力和桩间土承载力，根据一定的原则叠加两部份承载力可得到复合地基承载力的思路，用“规范”(JGJ79－2002)所推荐的公式[2]:

确定单桩承载力特征值Ra。

若fspk=40 kPa 则Ra=8.3 kN

3 个试验点，1 点为40 kPa，2 点 fsp·k为50 kPa用加权平均法Ra=15 kN

若安全系数k取2，则极限荷载Pu=30 kN。

(1)试可以用做推测柔性单桩承载力的1种经验公式。竹桩单桩承载力特征值Ra近似地看成地基土所能提供的水平反力，即P=Ra=15 kN，在2 m×2 m面积上打4φ10 cm的竹桩，使地基承载力平均值由32 kPa提高到45 kPa，提高29%，应该说效果是显著的。

载荷试验的成果初步显示，用竹桩与地基土形成复合地基能显著提高地基的强度。

为进一步撑握竹桩复合地基的应力，应变固结特性及处理后对围埝稳定性的供献，指挥部决定实施勋业乐海堆场围埝现场填筑试验，以大型模拟试验为工程设计提供可靠数据。

填筑试验共为2个试验段(各取40 m长)。Ⅰ#试验段在天然地基上进行填筑，Ⅱ#试验段在15 m×40 m地基中间距1 m插入竹桩，使其嵌入力学性能较好的粉土③层中后，铺高竹桩后填筑。在Ⅰ#和Ⅱ#两个试验段填筑过程中，分别监测有无竹排桩的深层位移，孔隙水压力以及围埝表面位移，试验段测点布置图见图2。

图2 试验段测点布置Fig.2 Measurement Point Arrangement in Test Section

3 孔隙水压力观测结果与分析

图2绘出了围埝完成堆载88.2 kPa时的深度、孔隙水压力曲线。从图2可见:

(1)0～5 m范围内(泥炭质土)孔隙水压力随深度增加而增加，说明该段地基可能失稳的危险段。

(2)5～13 m(淤泥与粉土)范围内孔隙水压力随深度的增加而减少，表明附加应力逐渐减弱，该段处地基可能失稳的安全段，见图3。

(3)天然地基孔隙水压力值大于竹桩复合地基，这说明竹桩复合地基较天然地基稳定性提高，因为围埝地基的稳定性用圆弧滑动分析，稳定系数

图3 围埝堆载88.2 kPa时空隙水压力观测成果曲线Fig.3 Interstitial－Hydraulic－Pressure Observation Results Curve When Cofferdam Heaping Load of 88.2 kPa

式中:Ci——土层凝聚力;

φ——土层内摩擦角;

Wi——土条的重量;

αi——通过土条重心点的垂直与圆弧切线构成的夹角;

Li——滑移圆弧的长度;

U——作用在土条滑移面上的孔隙水压力。

U的减少，显然对地基稳定有贡献。(在相邻场地柳苑堆场曾因过大堆载发生地基失稳事故)因此，孔隙水压力减小可以为地基增加必要的安全贮备也将为围埝堆高提供空间。

根据观测值和成果曲线可知，填土后泥炭质土层内的孔隙压力迅速增大，随时间的延长，孔隙压力值逐渐减小;而淤泥和粉土层内的孔隙压力值变化不大，但地基本反映加荷瞬间，孔隙压力先增大之后减小的过程。结合土层沉降观测资料分析，孔隙压力值和沉降量的变化反映了孔隙压力减小和沉降量增大的土层固结过程。

4 固结度计算

加荷后固结度随时间的增长而增大，为了对最终沉降有所预计以及准确把握各地层的固结度形特征，应用孔隙水压力计算固结度。

4.1 固结度计算

按固结度的定义给出的普遍表达式

式中:Ut——时间固结度;

ut——时间平均孔隙水压力;

σ——平均附加应力。

图4 梯形分布压力Fig.4 Trapezoid Distribution Pressure

式中:K'Z——竖向附加应力系数，是 a/Z和 b/Z

的函数，K'Z=0.0～0.5;

P——梯形分布压力的最大强度，各符号意义见图4。

4.2 分层固结度计算[4]

式中:U——固结度;

S——基础最终沉降量;

a——待定系数;

St——某一历时沉降量;

t——某一历时。

围埝的长高比较大，故可应用计算平面问题的奥斯特伯格公式(5)来计算不同深度的土层附加应力。

采用(5)式计算的各测孔仪器埋设点的附加应力计算值及采用(4)式计算的固结度见表3。

由表3可看出，Ⅰ#试验段历时65 d最小固结度达82.7%以上。Ⅱ#试验段历时45 d最小固结度达76.7%以上。土层固结良好。

表3 孔隙压力固结计算表Tab.3 Calculation of Interstitial Pressure Consolidation

续表3

5 最大沉降量的预测分析

通过对试验段分层沉降监测数据分析得知，各测点沉降与时间的变化基本上呈双曲线关系，故可应用公式(7)来推求各土层的最大沉降量。针对不同土层在不同历时观测值进行回归分析确定分式(7)中的两个待定值a和最终沉降量S。

Ⅰ#试验段和Ⅱ#试验段在所有堆载完成后，不同土层到2000年7月20日止，各土层沉降量回归方程的参数a和最终沉降量S见表4。

表4 最大沉降预测分析结果Tab.4 Predictive Analysis Result of Maximum Settlement

从表4可以看出:回归结果的相关系数很大，均在0.98以上，表明观测数据可靠，选用的双曲线回归方程反映了土层沉降的变化规律。

Ⅰ#、Ⅱ#试验段地表最终沉降平均值分别为886.2 mm和370.7 mm，截止到观测日期结束(2000年7月20日)各土层的沉降预测值和观测值基本吻合，最大误差为19.51 mm，历时1 a后土层固结度均达到95%以上，土层固结良好。

6 天然地基和竹桩地基沉降观测成果比较

Ⅰ#、Ⅱ#试验段各沉降观测处各土层层位，厚度存在一定差异，观测点深度亦不同，但2个试验段工程地质特性相同，其力学性质与变形特征亦本同。为此，对地表沉降量进行比较，可以获得试验段的整体宏观性认识，对同类土层单位沉降量的比较，可以定性了解地基不同土层的沉降规律。

经过竹桩处理后的地基沉降量显著降低，平均比未经处理的地基沉降量降低56.7%，固结完成后，平均沉降量降低57%，地基经竹桩处理后效果明显。

7 结语

(1)深层沉降观测表明，地基沉降主要为浅层泥炭质土层和淤泥质土层，在Ⅰ#、Ⅱ#试验段沉降是占总沉降量的90%和70%以上。经竹桩处理后，地基的沉降量平均降低55%以上，施加荷载后孔隙水压力亦有较大降低，加强了围埝地基的稳定性，表明竹桩对力学性能极差的泥炭质土和淤泥质土起到明显的加固作用。

(2)建于软基上的堤坝，地基(土体)的变形和稳定二者密不可分，相互作用，强度发挥以变形为前提，而变形大小又受强度控制。

(3)滇池疏浚围埝属临时性建筑，为寻找地基处理的技术、经济平衡点，探索性地采用廉价的竹桩复合地基。通过载荷试验、变形，孔隙水压力观测，基本上认识了竹桩复合地基的实用性和科学性。

[1](美)H.F温特科恩，方晓阳.基础工程手册[M].北京:中国建筑工程出版社，1983.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ 70—2002建筑地基处理技术规范[S].北京:中华魂建筑工业出版社，2002.

[3](日)铃木音彦.工程土力学计算实例[M].北京:中国铁道出版社，1982.

[4]陈希哲.土力学与地基基础[M].北京:清华大学出版社，1989.

Discussion on Engineering Practice of Composite Bamboo Pile and its Theory

TANG Jian－yu，TANG Ji－yu
(Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry，Kunming 650051，China)

By applying basic principle of soil mechanics and based on used practical data of the engineering project，discussion on the bearing capacity，deformation and consolidation the of Bamboo pile composite foundation was carried out so that can get familiar with practicality and scientificity of its performance.

composite foundation;Bamboo pile;bearing capacity;deformation;consolidation;stability

TU4

A

1004－2660(2012)01－0033－06

2012－02－20.

唐建宇(1963－)，男，云南人，工程师.主要研究方向:岩土工程勘察设计.E－mail:cy1730116@yahoo.com.cn