第8章地基承載力-2

《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》西南交通大學(xué)道路與鐵道工程系蔣關(guān)魯教授wgljiang@二OO九年三月

樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算模式調(diào)研--研究引言研究目的和意義淺基礎(chǔ)的各種承載力公式可以說源于塑性力學(xué)普朗特爾（Prandtl）解，而摩擦樁的承載力是由樁側(cè)摩阻力和端承力兩部分組成的。

淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的承載力計(jì)算已有較多的工程積累和理論研究成果，雖然還有不少問題值得進(jìn)一步研究，應(yīng)該說還是較為成熟。

現(xiàn)有樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算公式認(rèn)為復(fù)合地基承載力是由地基承載力和樁體的承載力兩部分組成的。如何合理估計(jì)兩者對復(fù)合地基承載力的貢獻(xiàn)是樁體復(fù)合地基計(jì)算的關(guān)鍵。復(fù)合地基在荷載作用下破壞時(shí)，一般情況下樁體和樁間土兩者不可能同時(shí)到達(dá)極限狀態(tài)，或者說兩者同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)概率很小。

通常認(rèn)為復(fù)合地基中樁體先發(fā)生破壞，但也有例外。若復(fù)合地基中樁體先產(chǎn)生破壞，則復(fù)合地基破壞時(shí)樁間土承載力發(fā)揮度達(dá)到多少是需要估計(jì)的。若樁間土產(chǎn)生破壞，復(fù)合地基破壞時(shí)樁體承載力發(fā)揮度達(dá)到多少也只能估計(jì)。

另外復(fù)合地基中的樁間土的極限荷載與天然地基是不同的。同樣，復(fù)合地基中的樁體所能承擔(dān)的極限荷載與一般樁基也是不同的。因此樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算比較復(fù)雜。研究目的和意義樁體復(fù)合地基中，散體材料樁、柔性樁和剛性樁荷載傳遞機(jī)理是不同的。樁體復(fù)合地基上基礎(chǔ)剛度大小、是否鋪設(shè)墊層、勢層厚度等都對復(fù)合地基受力性狀有較大影響，在樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算中都要考慮這些因素的影響。復(fù)合地基工程實(shí)踐積累較少，而且復(fù)合地基技術(shù)正在發(fā)展，不少新的復(fù)合地基形式得到應(yīng)用，應(yīng)該說復(fù)合地基承載力計(jì)算理論還很不成熟，需要加強(qiáng)研究、發(fā)展、提高。研究目的和意義調(diào)研--研究內(nèi)容1樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算模式2樁體極限承載力計(jì)算方法3樁間土極限承載力計(jì)算方法4現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法5現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于樁基的計(jì)算方法6按現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算承載力算例7路基穩(wěn)定性計(jì)算算例8基底應(yīng)力數(shù)值計(jì)算算例1樁體復(fù)合地基承載力計(jì)算模式目前樁體復(fù)合地基承裁力的計(jì)算模式還不成熟，其計(jì)算思路常用的有二種。一是先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據(jù)一定的原則疊加這兩部分承載力得到復(fù)合地基的承載力；二是采用穩(wěn)定分析法計(jì)算，一般可采用圓弧分析法計(jì)算，假設(shè)的圓弧滑動(dòng)面往往經(jīng)過加固區(qū)和末加固區(qū)，未加固區(qū)采用天然地基土體強(qiáng)度指標(biāo)；加固區(qū)土體強(qiáng)度指標(biāo)要采用復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)，也可分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算。式中：ppf

—單樁極限承載力，Kpa；psf—天然地基極限承載力，Kpa；K1—反映復(fù)合地基中樁體實(shí)際極限承載力與單樁極限承載力不同的修正系數(shù)，一般大于1.0；K2—反映復(fù)合地基中樁間土實(shí)際極限承載力與天然地基極限承載力不同的修正系數(shù)，其值視具體工程情況確定，可能大于1.0，也可能小于1.0；l1—復(fù)合地基破壞時(shí)，樁體發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例，可稱為樁體極限強(qiáng)度發(fā)揮度，若樁體先達(dá)到極限強(qiáng)度，引起復(fù)合地基破壞，則

=1.0，若樁間土比樁體先達(dá)到極限強(qiáng)度，則

＜1.0；l2—復(fù)合地基破壞時(shí)，樁間土發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例，可稱為樁間土極限強(qiáng)度發(fā)揮度，一般情況下，復(fù)合地基中往往樁體先達(dá)到極限強(qiáng)度，

通常在0.4~1.0之間；m—復(fù)合地基置換率。

先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據(jù)一定的原則疊加這兩部分承載力得到復(fù)合地基的承載力的計(jì)算公式：

2樁體極限承載力計(jì)算方法樁體極限承載力粘結(jié)材料樁散體材料樁柔性樁剛性樁

粘結(jié)材料樁和散體材料樁的荷載傳遞機(jī)理是不一樣的。粘結(jié)材料樁的承載力大小取決于樁側(cè)摩阻力和樁底端承力，而散體材料樁的承載力大小主要取決于樁側(cè)土所能提供的側(cè)限力大小。粘結(jié)材料樁極限承載力計(jì)算

剛性樁極限承載力多為摩擦樁，其極限承載力表達(dá)式為：

在計(jì)算樁周摩阻力時(shí)應(yīng)特別注意是否出現(xiàn)負(fù)摩阻力現(xiàn)象。另，若復(fù)合地基中剛性樁為端承樁，則復(fù)合地基上應(yīng)鋪設(shè)足夠厚的墊層；其樁體的承載力由樁底端承力提供(需進(jìn)行樁身強(qiáng)度驗(yàn)算)。柔性樁極限承載力：

(1)根據(jù)樁身材料強(qiáng)度計(jì)算承載力：

(2)根據(jù)樁側(cè)摩擦力和樁端端阻力計(jì)算承載力。二者中取較小值為單樁極限承載力。散體材料樁極限承載力計(jì)算

散體材料樁是依靠周圍土體的側(cè)限阻力保持其形狀并承受荷載，樁周土可能發(fā)揮的對樁體的側(cè)限能力對散體材料樁復(fù)合地基的承載能力起關(guān)鍵作用。式中：為樁間土提供的側(cè)向極限應(yīng)力，Kpa；樁體材料的被動(dòng)土壓力系數(shù)。

散休材料樁樁側(cè)土所能提供的側(cè)向極限應(yīng)力計(jì)算主要方法：Brauns(1978)計(jì)算式，圓筒形孔力擴(kuò)張理論計(jì)算式，WongH.Y.(1975)計(jì)算式，Hughes和Withers(1974)計(jì)算式和被動(dòng)土壓力法等。3樁間土極限承載力計(jì)算方法復(fù)合地基中樁間土極限承載力與天然地基極限承載力密切相關(guān)，但兩者并不完全相同。兩者的差別隨地基土的工程特性、豎向增強(qiáng)體的性質(zhì)、增強(qiáng)體設(shè)置方法不同而不同。樁間土極限承載力比天然地基極限承載力大，而且又較難計(jì)算時(shí)。工程實(shí)際中常用天然地基極限承載力值作為樁間土極限承載力。天然地基極限承載除了直接通過荷載試驗(yàn)，常采用Skempton極限承載力公式進(jìn)行計(jì)算：4現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）推薦的計(jì)算方法：承載力計(jì)算方法水泥攪拌樁CFG樁碎石樁5現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于樁基的計(jì)算方法《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.5-2005）推薦的容許承載力計(jì)算方法：打入、震動(dòng)下沉和樁堅(jiān)爆擴(kuò)樁：單樁承載力：復(fù)合地基承載力：鉆（挖）孔灌注樁的容許承載力計(jì)算公式為：單樁承載力：復(fù)合地基承載力：《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD63-2007）推薦的計(jì)算方法：摩擦樁承載力容許值端承樁承載力容許值6按現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算承載力計(jì)算假設(shè)路堤填筑高度分3m、5m、8m、10m、15m、30m，路堤頂寬13米，兩側(cè)邊坡比都是1：1.5，地基分為3種情況：①30米厚淤泥質(zhì)土。②上覆8米厚淤泥質(zhì)土,下臥有22米厚粘土。③上覆8米厚淤泥質(zhì)土,下臥巖層；地基處理方式有4種：水泥土攪拌樁、CFG樁、碎石樁、混凝土樁。路堤的橫截面尺寸和基底應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果分析（1）30m淤泥質(zhì)粘土條件下采用CFG樁時(shí)，對于單樁承載力和群樁承載力，3m、5m高路堤下滿足要求，8m高路堤下基本滿足要求，10m、15m、30m高路堤下不滿足要求。采用水泥土攪拌樁時(shí)，對于單樁承載力和群樁承載力，3m高路堤下滿足要求，5m、8m、10m、15m、30m高路堤下不滿足要求。采用碎石樁時(shí)，對于單樁承載力和群樁承載力，3m、5m高路堤下滿足要求，8m、10m、15m、30m高路堤下不滿足要求。采用鋼筋混凝土樁時(shí)，路基高度為3、5、8m時(shí)單樁承載力滿足要求，路基高度為10、15、30m時(shí)單樁承載力不滿足要求，群樁承載力驗(yàn)算對所有路基高度都滿足要求。計(jì)算結(jié)果分析（2）8m淤泥質(zhì)粘土+22m粘土條件下采用CFG樁時(shí)，對于單樁承載力和群樁承載力，3m、5m、8m、10m高路堤下滿足要求，15m、30m高路堤下不滿足要求。采用水泥土攪拌樁時(shí)，對于單樁承載力和群樁承載力，3m高路堤下滿足要求，5m、8m、10m、15m、30m高路堤下不滿足要求。采用碎石樁時(shí)，對于群樁承載力，3m、5m高路堤下滿足要求，8m、10m、15m、30m高路堤下不滿足要求。采用鋼筋混凝土樁時(shí)，路基高度為3、5、8、10、15m時(shí)單樁承載力滿足要求，路基高度為30m時(shí)單樁承載力不滿足要求，群樁承載力驗(yàn)算對所有路基高度都滿足要求。計(jì)算結(jié)果分析（3）8m淤泥質(zhì)粘土+22m基巖條件下采用CFG樁時(shí)，對于單樁承載力和群樁承載力，所有高度路堤下均滿足要求。采用水泥土攪拌樁時(shí)，對于單樁承載力和群樁承載力，3m高路堤下滿足要求，5m、8m、10m、15m、30m高路堤下不滿足要求。采用碎石樁時(shí)，對于群樁承載力，3m、5m高路堤下滿足要求，8m、10m、15m、30m高路堤下不滿足要求。采用鋼筋混凝土樁時(shí)，路基高度3、5、8、10、15、30m時(shí)單樁承載力滿足要求。群樁承載力驗(yàn)算對所有路基高度都滿足要求，而且有很大的富余。7路基穩(wěn)定性計(jì)算路基-地基計(jì)算參數(shù)

加固工法樁長/m樁間距/m樁徑/m容重/KN/m3粘聚力/kPa摩擦角/°CFG樁151.50.52254045碎石樁151.50.518038水泥攪拌樁151.50.52015020鋼筋混凝土樁1520.6251190048斷面參數(shù)滑動(dòng)面云圖

未加固8m路基

CFG樁加固8m路基

滑動(dòng)面云圖碎石樁加固8m路基水泥攪拌樁加固8m路基滑動(dòng)面云圖鋼筋混凝土樁加固3m路基

最小穩(wěn)定系數(shù)分析

計(jì)算采用Geo-slope程序，分別列出以下四種方法計(jì)算所得最小安全系數(shù):1)圓弧滑動(dòng)法2)Bishop法3)Janbu法4)Morgenstern-price法最小穩(wěn)定系數(shù)分析最小穩(wěn)定系數(shù)分析未加固地基及碎石樁、水泥攪拌樁加固地基采用Bishop法和Janbu法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)比瑞典條分法的計(jì)算結(jié)果要小6%~8%。CFG樁和鋼筋混凝土樁加固地基采用四種計(jì)算方法所得的穩(wěn)定安全系數(shù)非常接近，僅在高路堤情況下略有不同，仍然是Bishop法和Janbu法的計(jì)算結(jié)果偏大。最小穩(wěn)定系數(shù)分析最小穩(wěn)定系數(shù)分析（2）路基坡面安全穩(wěn)定系數(shù)隨著路堤高度的增加相應(yīng)減小，上圖對瑞典條分法所得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合公式如下：

式中：a、b、c為擬合參數(shù)?；瑒?dòng)面形狀參數(shù)分析滑動(dòng)面形狀參數(shù)分析①未加固地基穩(wěn)定系數(shù)小于1.25左右（路基高度H＞8m），滑動(dòng)面壓入地基面的深度呈線性增加。穩(wěn)定系數(shù)小于1.1左右（路基高度H＞10m），路堤坡腳處出現(xiàn)大面積滑動(dòng)破壞。②剛性樁（CFG樁、鋼筋混凝土樁）滑動(dòng)面發(fā)生在路基坡面，滑動(dòng)范圍小，安全系數(shù)大，加固效果顯著。③低路堤時(shí)，柔性樁（水泥攪拌樁）地基滑動(dòng)面主要發(fā)生在路基坡面，隨著路基高度的增加，地基開始出現(xiàn)滑動(dòng)破壞。從滑動(dòng)面的形狀上看，滑動(dòng)范圍和深度都沒有出現(xiàn)線性增長，但是當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)小于1.25時(shí)（H＞30m）滑動(dòng)范圍出現(xiàn)顯著增加。④散體材料樁（碎石樁）的滑動(dòng)范圍和壓入深度較水泥攪拌樁小，但是增長速度快。低路堤時(shí)，滑動(dòng)主要發(fā)生在地基表層，并且隨著路基高度的增加向路基內(nèi)部發(fā)展。8補(bǔ)充基底應(yīng)力數(shù)值計(jì)算斷面形式Ⅰ（i=1