張玲+陳哲+趙明華
摘 要:針對筋箍碎石樁復(fù)合地基的受力變形特點,考慮樁土的初始應(yīng)力狀態(tài),假定樁為具有恒定剪脹角的彈塑性體,且滿足摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動法則,土體和加筋體為線彈性材料,考慮樁筋材土三者間相互作用,導(dǎo)得了筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算新公式.為驗證本文計算公式的可行性,將本文方法計算結(jié)果與彈塑性極限分析方法結(jié)果進(jìn)行對比分析,兩者吻合良好.在此基礎(chǔ)上,分析探討了筋材剛度、樁周土變形模量、面積置換率等因素對筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響.分析結(jié)果表明:筋材剛度是樁土應(yīng)力比的主要影響因素,樁土應(yīng)力比隨筋材剛度、面積置換率、樁體內(nèi)摩擦角的增大而增大,隨著樁周土變形模量和樁體剪脹角的增大而減小.
關(guān)鍵詞:筋箍碎石樁;彈塑性;樁土應(yīng)力比
中圖分類號:U416.1;TU 473.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
近十年來,復(fù)合地基技術(shù)因其能發(fā)揮樁土共同承擔(dān)荷載的優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于公路工程實踐.碎石樁復(fù)合地基是最早出現(xiàn)的復(fù)合地基形式之一,因其取材方便、施工簡單、造價低廉,且具有良好的振密擠密、置換、排水固結(jié)等加固作用而在軟基加固處理中廣泛應(yīng)用.但由于碎石樁自身沒有膠結(jié)強(qiáng)度,需要樁周土提供側(cè)向約束力才能形成樁體.豎向荷載作用下,當(dāng)樁周土體強(qiáng)度較低而不能提供足夠的側(cè)向約束力時,碎石樁極易發(fā)生側(cè)向鼓脹而導(dǎo)致整個復(fù)合地基失效.為限制碎石樁在樁頂附近的側(cè)向變形,提高碎石樁的承載力,有效控制復(fù)合地基沉降,近年來工程實踐中不斷出現(xiàn)在傳統(tǒng)碎石樁樁頂一定深度范圍內(nèi)或沿樁長設(shè)置一土工格柵套筒形成新型的加筋碎石樁復(fù)合地基加固技術(shù),本文稱之為“筋箍碎石樁復(fù)合地基技術(shù)”.
在這一處治技術(shù)中,由于土工格柵等土工加筋材料具有一定的抗拉強(qiáng)度,在碎石樁外包裹一層土工格柵套筒,其作用類似于鋼筋混凝土中的箍筋約束作用,通過土工加筋材料的環(huán)箍約束作用,可增加碎石樁的樁身剛度,有效控制樁體鼓脹變形,提高地基承載力和減少沉降.因此,筋箍碎石樁復(fù)合地基處治技術(shù)自1985年被Van Impe[1]提出以來就不斷受到工程界的重視,而且國內(nèi)外已有學(xué)者針對筋箍碎石樁復(fù)合地基的承載加固機(jī)理開展了一些試驗研究與理論分析.高明軍等[2]結(jié)合工程現(xiàn)場靜載試驗,探討分析了筋箍碎石樁復(fù)合地基的優(yōu)越性,并介紹了土工格柵筋箍碎石樁的施工工藝、作用機(jī)理以及檢測方法.Murugesan等[3],Lo等[4],Chunsik[5],Khabbazian等[6-7],Malarvizhi等[8]通過數(shù)值分析,探討分析了土工加筋體的環(huán)箍效應(yīng)對碎石樁側(cè)向變形的限制作用及碎石樁承載力的提高作用.趙明華等[9]通過室內(nèi)模型試驗,對比分析了筋箍碎石樁和傳統(tǒng)碎石樁的承載變形特性,進(jìn)而探討了筋箍碎石樁的加筋機(jī)理和鼓脹變形模式;Raithel[10]和Pulko[11]等通過建立筋箍碎石樁荷載傳遞模型,得到筋箍碎石樁的變形及沉降;趙明華等[12],陳昌富等[13]在各自假定的基礎(chǔ)上,提出了筋箍碎石樁單樁極限承載力計算公式.但總的來說,筋箍碎石樁復(fù)合地基相關(guān)的理論研究尚處于初級階段.
樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基設(shè)計中的重要參數(shù)之一,是反映復(fù)合地基工作性狀和承載變形計算的重要參數(shù)指標(biāo).影響筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的因素很多(包括荷載水平、樁土模量比、樁土面積置換率、原地基土強(qiáng)度、碎石樁強(qiáng)度、土工材料加筋體強(qiáng)度、時間等等),但迄今為止,相關(guān)研究還鮮有文獻(xiàn)報道.目前,關(guān)于碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比,已有不少學(xué)者作了一些研究.如張定[14]從研究散體材料樁復(fù)合地基樁土相互作用機(jī)理出發(fā),提出了樁土應(yīng)力比解析算法;劉杰等[15]在考慮樁體變形協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上,通過引入雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論推導(dǎo)出樁土應(yīng)力比計算式;趙明等[16]通過引入魏西克圓孔擴(kuò)張理論與py曲線法導(dǎo)得碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算式;郭蔚東等[17]利用Rowe剪脹理論得到了考慮樁土應(yīng)力比計算公式;陳振建和盛崇文[18]從有效單元概念出發(fā),得到樁土應(yīng)力比的公式.
在碎石樁外包裹一層土工材料加筋體后,由于加筋體的側(cè)向環(huán)箍效應(yīng),碎石樁的承載變形及其破壞模式均可能發(fā)生變形.這種特性使筋箍碎石樁復(fù)合地基具有不同于傳統(tǒng)散體材料樁復(fù)合地基或其它復(fù)合地基的特點.因此,筋箍碎石樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比計算不能簡單直接套用上述已有公式,而需根據(jù)筋箍碎石樁復(fù)合地基承載變形特性,考慮樁加筋體土三者相互作用,建立樁土應(yīng)力比計算模型.
為此,本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上,基于彈塑性理論,考慮筋材的環(huán)箍效應(yīng),推導(dǎo)筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算新公式.
4 結(jié) 語
本文在傳統(tǒng)碎石樁理論的基礎(chǔ)上考慮土工強(qiáng)加筋材料對碎石樁的環(huán)箍效應(yīng),假定樁為具有恒定剪脹角的彈塑性體,且滿足摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動法則,土體和加筋體為線彈性材料,考慮樁筋材土的應(yīng)力與變形協(xié)調(diào),導(dǎo)得筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計算解析解.通過與彈塑性極限分析方法計算結(jié)果的對比分析,驗證了本文方法的解析解的正確性.在此基礎(chǔ)上,分析探討了筋材剛度、面積置換率、樁周土變形模量等因素對筋箍碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響.通過分析表明:樁土應(yīng)力比隨筋材剛度、樁體面積置換率和樁體內(nèi)摩擦角的增大而增大;隨樁周土變形模量和樁體剪脹角的增大而減小.
此外,筋箍碎石樁復(fù)合地基承載變形極為復(fù)雜.本文方法對土體和加筋體均作簡化處理,假定其為線彈性材料.如何在樁土應(yīng)力比分析中考慮樁周土、加筋體的非線性變形特性等仍有待進(jìn)一步研究.
參考文獻(xiàn)
[1] VAN IMPE W F. Soil improvement techniques and their evolution[M].Balkema, Rotterdam, the Netherlands. 1989.
[2] 高明軍.管式格柵加筋碎石樁的承載特性試驗研究[D].南京:河海大學(xué),2008.
[3] MURUGESAN S, RAJAGOPAL K. Geosynthetic·encased stone columns: numerical evaluation[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2006, 24(6):349-358.
[4] LO S R, ZHANG R, MAK J.Geosynthetic-encased stone columns in soft clay:A numerical study[J].Geotextiles and Geomembranes,2010,28(3):292-302.
[5] CHUNGSIK Y. Performance of geosyntheticencased stone columns in embankment construction: numerical investigation [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2010, 136(8):1148-1160.
[6] KHABBAZIAN M, KALIAKIN V N, MEECHAN C L. 3D analyses of geosynthetic encased stone columns[C]//Proceeding of International Foundations Congress and Equipment Expo 09 (IFCEE09). ASCE, 2009.
[7] KHABBAZIAN M, MEECHAN C L, KALIAKIN V N. Numerical study of effect of encasement on stone column performance[C]//Advances in Analysis, Modeling & Design. Proceedings of the Geo Florida 2010 Conference. GeoFlorida 2010.
[8] MALARVIZHI S N, ILAMPARUTHI K. Comparative study on the behaviour of encased stone column and conventional stone column[J]. Soils and Foundations, 2007, 47(5): 873-885.
[9] 趙明華,顧美湘,張玲,等.豎向土工加筋體對碎石樁承載變形影響的模型試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2014,36(9):1587-1593.
ZHAO Minghua, GU Meixiang, ZHANG Ling, et al. Model test on influence of vertical geosyntheticencasement performance of stone columns[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2014,36(9):1587- 1593. (In Chinese)
[10]RAITHEL M, KEMPFERT H G. Calculation models for dam foundations with geotextile coated sand columns [C]// Proceedings of the International Conference on Geotechnical and Geological Engineering GeoEngg-2000. Melbourne.
[11]PULKO B, MAJES B, LOGAR J. Geosynthetic-encased stone columns: analytical calculation model[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2011, 29 (1): 29-39.
[12]趙明華,陳慶,張玲,等.加筋碎石樁承載力計算[J].公路交通科技,2011,28(8):7-12.
ZHAO Minghua, CHEN Qing, ZHANG Ling, et al. Calculation of bearing capacity of geosynthetic-encased stone columns[J]. Highway and Transportation Research and Development Journal,2011,28(8):7-12. (In Chinese)
[13]陳昌富, 李其澤.基于圓孔擴(kuò)張理論頂部加箍碎石樁承載力計算[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2011,38(10):7-12.
CHEN Changfu, LI Qize. Calculation ofbearing capacity of geosynthetic-encased gravel pile based on cavity expansion theory[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences,2011,38(10):7-12. (In Chinese)
[14]張定.碎石樁復(fù)合地基的作用機(jī)理分析及沉降計算[J].巖土力學(xué), 1999, 20(2): 81-86.
ZHANG Ding. Functional mechanism analysis and settlement computation on composite foundation of gravel pile [J]. Rock and Soil Mechanics, 1999, 20(2): 81-86. (In Chinese)
[15]劉杰,趙明華.基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論的碎石單樁復(fù)合地基形狀研究[J].巖土工程學(xué)報2005,27(6):707-711.
LIU Jie, ZHAO Minghua. Researches on behaviour of composite foundation with single granular column based on unified twin shear strength theory[J].Journal of Geotechnical Engineering, 2005,27(6):707-711. (In Chinese)
[16]趙明,趙明華,陳昌富.確定碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的一種新方法[J].湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,29(2):112-116.
ZHAO Ming, ZHAO Minghua, CHEN Changfu. New pile-soil stress ratio calculation method in rushed stone pile composite foundation[J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences,2002,29(2): 112-116. (In Chinese)
[17]郭蔚東,錢鴻晉.飽和黃土碎石樁地基沉降計算[J].土木工程學(xué)報,1989,22(2):13-21.
GUO Weidong, QIAN Hongjin. The settlement estimation of foundation on saturated loess reinforced with granular piles [J].China Civil Engineering Journal,1982,22(2):13-21. (In Chinese)
[18]陳振建,盛崇文.滿堂加固碎石樁地基承載力[D]. 南京:南京水利科學(xué)研究院,1987:35-43.
CHEN Zhenjian, SHENG Chongwen. Bearing capacity of ground reinforced with infinitely large group of stone columns[D]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 1987:35-43.(In Chinese)
[19]BALAAM N P, BOOKER J R.Effects of stone columns yield on settlement of rigid foundations in stabilized clay[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,1985,9(4):331-351.
[20]ABDELKRIM M, DE BUHAN P. An elastoplastic homogenization procedure for predicting the settlement of a foundation on a soil reinforced by columns [J]. European Journal of Mechanics and Solids, 2007, 26(4): 736-757.
[21]MALARVIZHI S N, ILAMPARUTHI K.Comparative study on the behavior of encased stone column and conventional stone column[J]. Soils and Foundations, 2007, 57(5): 873-885.
[22]CASTRO J, SAGASETA C.Deformation and consolidation around encased stone columns[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2010, 29(3):268-276.