水泥搅拌桩地基下卧层沉降计算方法选择.pdf

收稿日期:2006-03-02基金项目:建设部科学技术项目(06-K1-6)作者简介:王凤池(1970-),男,副教授,博士,主要从事地基基础研究.文章编号:1671-2021(2006)05-0705-04水泥搅拌桩地基下卧层沉降计算方法选择王凤池,朱浮声,张德海(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168)摘 要:目的 为了研究水泥搅拌桩复合地基设计中的沉降计算问题,减少下卧层沉降计算值与实测值的差异.方法 从水泥搅拌桩的加固机理出发,指出了水泥搅拌桩加固区与下卧层相比是一个具有强度高、压缩性小的硬壳层.考虑硬壳层的影响,在进行下卧层沉降计算时,应根据外荷载与总抗剪力的关系来选择计算方法.结果 当外荷载大于总抗剪力时,采用等效实体法;反之,则考虑硬壳层效应,附加应力折减.结论 硬壳层对附加应力有扩散效应,这是有时采用等效实体法计算下卧层沉降时数值过大的原因.算例表明,通过对计算方法的选择,提高了下卧层沉降的计算精度.关键词:水泥搅拌桩;复合地基;下卧层;沉降;附加应力中图分类号:TU443 文献标识码:A 作为一种人工地基,复合地基的设计不仅要保证具有足够的承载能力,也要估计在工作荷载下产生的沉降,并保证这一沉降不足以危害上部结构.在许多工程设计中,承载力已经不是复合地基的重点,而沉降控制被提到越来越重要的位置1-4.5地基基础设计规范6(GB50007-2002)强调变形控制,因为它不但关系到工程设计的成败,而且在很大程度上决定了投资的多少.桩间土的非线性应力)应变关系和桩间土与增强体之间的相互作用的影响,导致了复合地基的沉降计算十分复杂.由于下卧层变形占总沉降的比例相当大,因此把目光过分的集中在加固区变形计算上,是不符合工程需要的.笔者根据外荷载与总抗剪力的关系,给出了计算下卧层沉降方法选择的判定条件以及相应的计算方法.1 复合地基的沉降分析复合地基的沉降包括三部分:加固区变形、下卧层变形和褥垫层变形,如图 1,其沉降计算式为S=S1+S2+S3(1)式中:S1为加固区变形;S2为下卧层变形;S3为褥垫层变形.加固区的变形计算,目前主要采用复合模量法(Ec法)、应力修正法(Es法)和桩身压缩量(Ep法)进行计算.对于下卧层的变形 S2,目前的计算方法是通过应力扩散法、等效实体法、改进Geddes 法等手段计算下卧层上的附加应力,采用分层总和法计算其沉降5.随着复合地基技术的不断发展,一些新的计算方法也应运而生.下卧层的变形占结构总沉降有相当的比例,特别是/悬桩0问题,下卧层土体的性质成为对沉降影响重要因素之一.如宁通一级公路(南通段)引河大桥桥头和过渡段采用二灰土桩加固,其K102+990 断面沉降实测值 S1=1517 cm,S2=3314 cm 6,下卧层沉降占总沉降的 68%.又如上海金达棉纺厂主厂房采用石灰桩复合地基设计 7,结构总沉降为 6914 mm,而加固区沉降为914 mm,仅占总沉降的1315%.鉴于上述事实,下卧层变形计算的重要性可见一斑.要准确地计算下卧层的压缩量,首先必须正确地把握下卧层中的附加应力的分布规律.如何考虑加固层和桩体对附加应力的影响是问题的关20 06 年 0 9月第22卷 第 5 期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)Sep.2006Vol122,No15键所在.图 1 复合地基沉降分析模式2 水泥搅拌桩复合地基硬壳层效应 水泥搅拌桩采用水泥作为固化剂,进行强制搅拌.水泥与软土混合后,与土中水发生水化和水解反应,首先生成能迅速溶解于水的 Ca(OH)2和含水硅酸钙(CaO#SiO2#nH2O),使水泥颗粒表面重新露出,再与土中水发生作用形成水化物.当新生成物不能再溶解时,便悬浮形成胶体.当水泥的各种水化物形成后,胶体能与水化物中的离子进行当量吸附交换,使较小的土颗粒形成较大的土团粒.凝胶粒子的比表面积很大,具有强烈的吸附活性,能将土团粒进一步结合起来,并封闭空隙,形成坚固的联结,提高了地基强度.同时,随水泥水化反应的深入,溶液中析出大量的钙离子,并逐渐反应形成不溶于水的稳定化合物,并相互联结形成空间网状结构,使水泥土具有足够的强度和水稳性.由水泥土加固机理可以看出,与下卧层软弱土体相比,水泥搅拌桩加固区形成了具有强度高、压缩性小的硬壳层(如图2).研究表明,硬壳层对图 2 硬壳层的扩散效应附加应力有明显的扩散效应,这是造成有时计算下卧层沉降时,数值过大的原因.考虑水泥搅拌桩复合地基硬壳层的影响,下卧层处附加应力应进行折减.Milovic D M 利用有限元方法研究具有硬壳层的双层地基时,考虑各向异性,通过总结得到了应力折减系数7.水泥搅拌桩复合地基硬壳层引起的附加应力折减,可以按照 Milovic 法计算,其计算公式可表示为Iz=015BH10188Es2Es1012(2)式中,B 为加固区宽度;H1为加固区厚度;Es2为下卧层的压缩模量;Es1为加固区的压缩模量.3 选择计算方法的判定条件复合地基加固区形成了人工的硬壳层.在加固区内,增强体与土体共同工作,增强体与周围土体压缩变形协调.同时,加固区又像一个巨大的实体基础,加固区与周围土体的共同工作靠加固区与土体的抗剪切能力来维持.董建国等在研究桩箱(筏)基础沉降计算时提出了根据外荷载与总抗剪力的关系来判定桩箱(筏)基础沉降的计算模式 9.同样也可以根据外荷载 Q 与总抗剪力T的关系来选择复合地基下卧层的变形计算方法.当 T Q 时,外荷载不足以破坏加固区与周围土体之间的作用.加固体周围的土体与加固体共同抵抗外荷载.土体所受的外荷载依靠土颗粒之间的作用向下传递.复合土层压缩模量一般为软弱土层的 5 倍以上,因而增强体加固范围应大于基础外围轮廓.这时,硬壳效应比较明显,应采用式(2)计算附加应力折减系数,进而计算下卧层沉降.其下卧层顶的附加应力为pb=Izp0(3)式中,p0为基底附加应力.反之,如果 T Q,加固区与周围土体之间的平衡被外荷载破坏,加固体周围产生了较大的剪切应变.这时,加固区的硬壳层效应消失,加固体整体下沉,产生了冲剪破坏,加固体周围的摩阻力达到极限.此时采用等效实体法计算下卧层变形比较合适(见图 3).其下卧层处的附加应力计算公式为 pb=DBp-TBD(4)式中:p 为复合地基上荷载集度;B、D 分别为基706 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 22卷础宽度和长度;h 为加固区厚度.总抗剪力按下式计算:T=UQh0Szdz(5)式中:U 为加固体横截面周长;h 为加固区厚度;Sz为加固体周边侧摩阻力.图 3 等效实体模式 由于分层土的各层土自重应力是按线性分布的特点,式(6)可以改写为10:T=UEni=1(Rczi(1-sinUi)tanUi+ci)hi(6)式中:Rczi为第i 层土的平均自重应力;ci,Ui和 hi分别为第i 层土的粘聚力、内摩擦角和土层厚度.如果有实测桩侧平均摩阻力的值,则T=qsU(7)式中:qs为实测桩侧平均摩阻力.4 算例与分析天津市东丽区 6 层 4 单元住宅楼11,基础采用钢筋混凝土条形基础,基础宽度 B 为 218 m.为提高地基承载力,在条形基础下采用柱状水泥深层搅拌桩来处理软弱地基.桩径为 500 mm,桩长为 11 m,面积置换率为 18%.基础底面附加压力为 160 kPa,加固区复合模量按面积比法计算为3911 MPa.桩周土的平均摩擦力取 qs=8kPa,地质条件见表 1.表 1 土层地质情况土层名称厚度/m体积质量/(g#cm-3)压缩模量/M Pa内摩擦角/(b)黏聚力/kPa容许承载力/kPa黏土1 21511853178112331179100淤泥质黏土612 1015118531779185813885粉质黏土0 318119451871718511184110粉土112 217119513130221245170140 基础长边方向取 1个单位考虑,则根据式(7)可得 T=66818 kN,大于外荷载 448 kN,按照本文分析,应采用式(3)计算加固体下附加应力折减系数,代入数值计算得 Iz=01112.因此附加应力为17192 kPa,按照分层总和法计算下卧层沉降为12107mm.加固区沉降按复合模量法计算为 2713mm.则总沉降为 39137 mm.该楼沉降实测值为 30 mm.可见,根据外荷载与总抗剪力的关系来选择复合地基下卧层的变形计算方法,能够有效的减小下卧层沉降计算误差,使计算值更趋近于实测值.如果按照等效实体法计算附加应力,进而计算总沉降为 5014 mm.,为实际观测值的 1168 倍.分析其原因在于总抗剪力T 大于外荷载 Q,使附加应力产生了扩散效应.因此按照等效实体法计算,附加应力计算值过大,使下卧层沉降计算值偏大.笔者考虑了附加应力的扩散效应,计算较等效实体法更接近实测值,但仍有一定的误差.其原因在于加固区按复合模量法计算产生的偏差.工程实践表明,采用复合模量法计算加固区沉降计算值大于实测值 12.由式(6)可见,总抗剪力与土的性质有关,包括自重应力、粘聚力以及内摩擦角等.同时,也与加固区横截面周长有关.总抗剪力越大,硬壳层效应越明显,下卧层的沉降越小.因此,当地基土为粘性土时,复合地基易产生应力扩散效应.因此在沉降计算时,应考虑这一因素.同时,增加加固区的有效横截面周长,也是提高总抗剪力的有效方法.因此复合地基在设计施工时,应考虑增加护桩,以降低下卧层处的附加应力,减小沉降.5 结 语笔者从水泥搅拌桩的加固机理出发,论述了第 22 卷王凤池等:水泥搅拌桩地基下卧层沉降计算方法选择707 水泥搅拌桩加固区是一个具有强度高、压缩性小的硬壳层.由于硬壳层对附加应力的扩散效应,造成了采用等效实体法计算下卧层沉降有时数值过大的现象.同时,工程实践表明有时采用等效实体法也具有较高的计算精度.笔者根据外荷载与总抗剪力的关系来选择复合地基下卧层的变形计算方法.当外荷载大于总抗剪力时,采用等效实体法;当外荷载小于总抗剪力则考虑硬壳层效应,附加应力折减.算例表明,通过对计算方法的选择,提高了下卧层沉降的计算精度.参考文献:1 Rathmayer H G,Saari K H O,Goughnour R R.Set-tlement of verticallyloaded stone column in softgroundC/Proc of 8th European Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering:Improvementof ground.Rotterdam:Balkema,1983.235-240.2 Engelhardt K,Golding H C.Field testing to evaluatestone column performance in a seismic area J.Geotechnique,1975,25(1):61-69.3 Bouassida M.Bearing capacity of a foundation restingon a soil reinforced by a group of columns J.Geotechnique,1995,45(1):25-34.4 Randolph M F,Wroth C P.Analysis of deformationof vertically piles J.J of Geotechnical Engineering,1978,104(2):1465-1488.5 龚晓南.复合地基理论及工程应用 M.北京:中国建筑工业出版社,2002.6 杨涛.路堤荷载下柔性悬桩复合地基的沉降分析J.岩土工程学报,2000,22(6):741-743.7 Milovic D M.Stress analysis for layer system C/Proceedings of the eleventh international conferenceon soil mechanics and foundation engineering.Rotter-dam:Balkema,1985.591-596.8 周建.复合地基加固区沉降计算的一种新方法 J.浙江大学学报:工学版,2000,34(1):83-87.9 董建国,赵锡宏.桩(箱)筏基础沉降计算新方法J.岩土工程学报,1996,18(1):80-84.10 李小青,潘鸿宝.井场复合地基变形分析 J.地质与勘探,2000,36(6):82-84.11 李誉.水泥深层搅拌桩的沉降分析 J.中国民航学院学报,2002,20(4):49-59.12 王凤池,朱浮声,王晓初.复合地基复合模量的理论修正 J.东北大学学报:自然科学版,2003,24(5):491-494.Calculating Method Alternation for Substratum Settlement ofCement-Soil Mixing Piles Composite GroundWANG Fengchi,ZH U Fusheng,ZHANG Dehai(School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang,110168,China)Abstract:In order to reduce the calculating error of substratum settlement in designing cement-soil mixingpiles composite ground,the mechanics of the soil reinforced by cement-soil mixing piles were analyzed.Be-cause of high strength and low compression,the reinforced part formed a stiffer layer than the substratum.Considered the influence of stiff layer,when calculating the substratum settlement of cement-soil mixingpile composite foundation,the method must be chosen according to the relationship between loads and over-all shear resistances.As loads are bigger than overall shear resistances,the method of equivalent solid mass isadopted;contrawise,the influence of stiff layer must be considered and the additional stress should be re-duced.Because the stiff layer can diffuse the additional stress,sometimes the result is too large calculating bythe method of equivalent solid mass.A calculating example shows the calculating precision of substratumsettlement is improved by choice for the calculating method.Key Words:cement-soil mixing pile;composite ground;substratum;settlement;additional stress708 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 22卷