水下振冲碎石桩单桩承载力计算方法研究

陈翠翠

1 研究背景

振冲碎石桩作为一种软基处理方法，是在振冲器作用下，使天然软土层被振密，同时在天然软弱土层中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成碎石桩桩体，桩体和桩周地基土组成复合地基。它既可以有效提高复合地基承载力，降低工程后期沉降量，又可以配合砂垫层等其它地基处理措施，加快软土地基的固结速度，进而达到软土地基加固的目的，比较适用于对地基承载力要求不高的工程。

振冲碎石桩复合地基在道路、建筑等领域施工及检测等方法已日渐成熟，相对于陆上工程，振冲碎石桩复合地基在港口工程中的应用案例还比较有限，水下振冲碎石桩的设计理论及计算方法还需要进一步研究，施工相关技术还有待改进，其检测技术还有待提高，相关工程经验还有待积累。根据《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》（JTJ 246-2004）中的有关规定振冲碎石桩检测时应进行复合地基载荷试验，但水上工程大多受水上环境的限制，无法像陆上施工一样进行平板载荷试验。由于目前碎石桩在港口实际工程地基处理中的应用还不够广泛，我国规范关于水下振冲碎石桩复合地基的承载力计算及检测方法经验较为缺乏。本文基于典型工程中检测数据对Brauns计算方法进行修正，提出水上振冲碎石桩单桩承载力计算公式。

2 碎石桩承载力近似计算理论

振冲碎石桩复合地基的承载力，不但决定于碎石桩桩体的置换率和密实度，同时还受桩间土的性质和强度制约。工程界认为碎石桩桩长达到一定的临界长度（目前一致认为该长度大概可以取为4倍的桩径）时桩体一般可以不考虑刺入破坏的情况。在某些特殊情况下，如基底面积相对较小，而同时局部的荷载偏大时，桩顶容易产生剪切破坏。对于振冲碎石桩复合地基来说，多数情况下还是以桩周土对桩体的约束力不足，无法保证桩形，导致桩体产生膨胀破坏，同时桩间土对桩体的约束力也是随着深度的增加而增加。所以桩体容易产生膨胀破坏的位置以桩顶附近区域为主。现有的几种计算模型，也都是基于以上分析建立起来的。

上部荷载作用下振冲碎石桩桩体发生膨胀破坏时，桩周土则进入塑性状态或极限平衡状态，根据土力学三轴压缩试验的受力情况，计算振冲碎石桩的单桩承载力。同时提出以下公式：

式中：—桩体的单桩承载力;

—桩间土的极限应力;

—桩体材料的被动土压力系数。

通过以上公式，问题就转化为如何求取桩侧土的侧向应力。

Brauns（1978年）认为桩体于荷载作用下产生鼓胀变形，致使桩周土达被动极限平衡状态，如图1所示。并假设：

（1）桩体上部鼓胀破坏段长度为，其中为桩体半径，，为桩材料的内摩擦角;

（2）桩周土与桩体间的摩擦力，极限平衡土棱体中环向应力;

（3）不计桩间土和桩体的自重。

再根据桩周土破坏棱体上作用力的极限平衡，求得桩周土侧向极限应力为式2：

式中：—桩间土不排水抗剪强度;

—滑动面与水平面的夹角;

—桩周土表面荷载。

将式（2）代入式（1）即获得该单桩的极限承载力的表达式3为：

其中由下式试算求出。

3 基于实测数据的Brauns修正计算方法

前文所述的各种计算方法多是通过理论推导得出的，本文根据工程实际测得得动力触探曲线得出，在桩体上端1倍桩径范围内的桩体将出现鼓胀破坏，而且随着时间的推移和沉降的完成，下部土体固结完成，土体得到有效的加固，不再出现更大范围的桩体鼓胀破坏，所以本文拟在Brauns算法的基础上，考虑桩体和桩周土的自重，同时拟将其第一条假设修改为桩体上部鼓胀破坏段长度为（即1倍桩径）。推导过程如图2。

推导过程中各符号意义：

为桩间土面上应力作用面积（）;为的作用面积（）;为的作用面积（）;为桩顶应力（kPa）;为桩间土受到的应力（kPa）;为破坏面与水平角的夹角（o）;为地基土的不排水抗剪强度（kPa）;为鼓胀破坏时地基土作用于桩的侧向力（kPa）;为鼓胀破坏时地基土的自重应力（kPa）;为作用于AB面的地基土自重应力（kPa）;为碎石桩半径（m）;为桩的破坏长度（m）;为桩间土摩擦力（kPa）;为鼓胀破坏时破坏范围内桩的自重应力（kPa）。

基本假设：在Brauns理论基础上，结合碎石桩受力特性，考虑地基土和桩体自重作用并作以下假设：

（1）桩的破坏长度，为桩的半径;

（2）桩间土摩擦力，土体中的环向应力，如图3所示：

由图2中碎石樁受力模型分析，根据图4力的多边形投影在方向的力的平衡方程式见式6：

根据检测资料确定

将代入式（6）中得：

求单桩极限承载力时，所有外部荷载作用在桩顶，=0。

求得，同时根据上式的函数关系可以知道，随着桩间土受到荷载的增大，破裂角也将急剧增大。

即：

将本工程的数据代入上式，取为2.2kPa，土体重度为水下以7kN/m?计算，桩径为1.4m，土体承受的荷载取原状土承载力80kPa，取为61°，桩体重度为11kN/m?。代入上式可以得出单桩承载力为418kPa，本工程动力触探检测单桩承载力为448kPa，该公式计算结果与该数值偏差为6.6%，与实际检测情况基本相符。

将本式计算所得单桩承载力结果=418kPa，=0.55，=80kPa代入复合地基承载力计算公式，可得：

计算结果符合设计要求。

4 结论

现有水上振冲碎石桩检测方法存在不足，重型动力触探存在较大的误差，应尽量采用多种检测手段进行调整。本文对实际工程振冲碎石桩采用重型动力触探进行检测并对检测数据进行分析，基于检测数据对Brauns计算公式进行了修正，得到了水上振冲碎石桩单桩承载力的修正公式。通过实际工程中碎石桩重力触探检测数据及土压力观测数据对振冲碎石桩的单桩承载力、计算方法等进行研究分析，其研究结果对振冲碎石桩的设计和施工技術有一定的帮助，对振冲碎石桩的工作机理加以明确，在以后的港口工程中对振冲碎石桩的推广使用有一定的参考价值。

参考文献：

[1]陈自荣，刘年飞，张建侨.振冲碎石桩在山东石岛中心渔港工程中的应用[J].水运工程，2010（09）：124-127.

[2]黄文斌.圆锥重型动力触探击数修正系数的内插与外延探讨[J].南方国土资源，2003（11）：28-29.

[3]DBJ15-38-2005建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[4]JTJ 246-2004港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程[S].人民交通出版社，2004.

[5]JTS 147-1-2010港口工程地基规范[S].人民交通出版社，2010.

[6]鲁兴社，罗洋.计算动力触探修正系数的多项式拟合法[J].长春工程学院学报（自然科学版），2011，12（01）：39-43.

[7]李海峰.振动碎石桩在软基处理中的应用技术[J].城市建筑，2013（14）：139-142.

[8]韩冉冉，王海鹏，刘横财.底出料振冲碎石桩水下施工技术[J].施工技术，2014，43（01）：29-31.

[9]韩冉冉，徐满意，乔小利，王海鹏，郭伟.水下超软土地基振冲碎石桩试验及参数控制[J].岩土工程学报，2013，35（S2）：612-616.

[10]路程.水下振动沉管碎石桩施工密实度控制施工技术[J].中国港湾建设，2013（04）：72-75.

[11]孙龙，何广讷，刘年飞，马良奎，原晓军.渔港码头水下振冲碎石桩复合地基施工与检测方法研究[J].渔业现代化，2010，37（05）：50-54.

[12]孙龙，刘年飞，王洪有，陈自荣.渔港码头工程水下振冲碎石桩复合地基应用研究[J].渔业现代化，2010，37（04）：54-56.

[13]张晶.水下碎石桩物理模型试验与数值模拟[D].大连：大连海洋大学，2014.

[14]温铂洋.水下碎石桩物理模型试验与沉降量计算研究[D].大连： 大连海洋大学，2014.

作者简介：陈翠翠（1985-），女，山东人，工学硕士，工程师，从事港口工程设计及相关研究工作。