CN110543725A - 一种碎石桩极限承载力的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种碎石桩单桩承载力的确定方法，其步骤主要是：基于库伦强度理论，确定破裂面与最大主应力作用方向的夹角；在碎石桩受上部荷载作用时，既考虑地基土对桩体的侧限约束力，也考虑了桩体自重应力的影响，并通过将桩体受力简化至桩间土破裂面方向，建立受力平衡模型，从而得出碎石桩单桩承载力与地基土和桩体自重应力的相互关系，进而得出更为准确的碎石桩单桩承载力。该方法计算简单，考虑影响因素更全面，计算结果更符合工程实际，为工程设计和施工提供准确、可靠的依据，避免浪费。

Description

一种碎石桩极限承载力的确定方法

技术领域

本发明涉及一种碎石桩极限承载力的确定方法。

背景技术

碎石桩复合地基是由砂石等散体材料组成，在软弱地基中成孔后将这些散体材料分批填入土中，形成具有一定深度和较大直径的密实砂桩，与天然地基形成改良后的人工地基，以解决地基承载力不足的问题。碎石桩适用于挤密松散的砂土、粉土、素填土和杂填土地基。随被加固土质不同机理有所差别：对砂土、粉土和碎石土具有置换和挤密作用；对黏性土和填土，以置换作用为主，兼有不同程度的挤密和促进排水固结的作用。由于其具有施工简便，造价低，改良效果较好等特点，碎石桩在现今的路基治理工程中得到广泛应用，如软弱地基加固、堤坝边坡加固、消除可液化砂土的液化性、消除湿陷性黄土的湿陷性等方面。

碎石桩复合地基是一个复杂桩土共同作用的体系，桩体的布置形式(碎石桩桩径和桩间距)对改良后的地基承载力起主要影响作用。过小的桩径或过大的桩间距可能导致地基承载力不足，甚至导致路基失稳或沉降变形，堤坝边坡整体滑塌破坏等；过大的桩径或过小的桩间距则导致建设成本过高，建设效率低，形成浪费。而碎石桩极限承载力是决定其桩径和桩间距的唯一参数，所以，如何确定桩体极限承载力是碎石桩设计的关键技术问题。

目前，现有碎石桩复合地基承载力设计理论主要依据Brauns理论计算得出。Brauns认为在荷载作用下，桩体产生鼓出变形，使桩周土进入被动极限平衡状态，是在假设不考虑地基土和桩体自重作用等情况下推导出碎石桩的单桩极限承载力模型。但是，碎石桩复合地基是一个复杂桩土共同作用的体系，其承载力与桩体材料、成桩方式、桩体诸多参数和地基土的性质有关，其中地基土的侧限约束对桩体承载力有很大影响，而随地基土深度增加，自重应力增加，其侧限约束力也增加；桩体直径越大，桩土置换率越高，承载力越高。显然，如果不考虑地基土和桩体自重作用，无法精确的确定单桩承载力。

而基于Brauns(1978)计算模型，碎石桩极限荷载计算模型有以下四种：圆筒形孔扩张理论计算模型、Wong H.Y(1975)计算模型、Hughes与Withers(1974)计算模型和被动土压力法计算模型等。但是四种碎石桩单桩承载力计算模型均未考虑地基土自重和桩体自重对极限荷载的作用，被动土压力法虽考虑了土体重度的作用，但都没有考虑桩体自重影响。以致各个理论计算精度不一，结果不一致，很难决定那种计算模型符合实际，与现场原为测试实验结果差别较大，尤其对于直径稍大的碎石桩，与工程实际相差更大。

以上分析可知，为满足碎石桩复合地基的设计和施工需要，亟需开发一种计算简单、结果准确的碎石桩极限承载力的确定方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种碎石桩极限承载力的确定方法，该方法计算简单，得出的碎石桩极限承载力更准确，为地基处理中碎石桩的设计和施工提供更准确、可靠的依据，从而保证路基、边坡的安全稳定，减少工程建设成本、提高建设效率，避免浪费。

本发明为实现其发明目的采用的技术方案是：一种碎石桩极限承载力的确定方法，包括以下步骤：

A、碎石桩破坏面倾角

计算碎石桩发生鼓胀破坏时的桩体破坏面倾角δ_p：

式中，为碎石桩内摩擦角；

B、桩间土破坏面倾角

根据步骤A得到的碎石桩发生鼓胀破坏时的桩体破坏面倾角δ_p，按下式(2)计算碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角δ：

C、确定碎石桩单桩极限承载力

依据步骤B得到的碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角δ，按下式(3)确定碎石桩单桩极限承载力[P_p]_max：

式中，c_u为地基土的不排水抗剪强度；γ为桩间土重度；γ_p为碎石桩重度；r₀为碎石桩半径。

本发明的原理是：

碎石桩是一种散体材料所组成的桩体，当桩顶受到足够大的荷载时，桩体就产生破坏，由于碎石桩主要靠周围桩间土的侧向约束力而成桩，当侧向约束力小于桩体鼓出力时而发生桩体鼓出破坏。鼓出破坏是碎石桩的主要的破坏形式。

本发明碎石桩破坏面倾角的确定：在复合地基中，碎石桩受到桩顶应力、桩间土上的应力，桩体自重应力、桩土间摩擦力、地基土自重应力，地基土粘聚力共同作用，见附图1、附图2。图中，f_R为桩间土面上应力p_s的作用面积；f_n为c_u的作用面积；f_m为p_ro的作用面积；p_p为桩顶应力；p_s为桩间土受到的应力；p₀为土体中的环向应力；δ为破坏面与水平面的夹角；c_u为地基土的不排水抗剪强度；p_ro为鼓胀破坏时地基土作用在桩的侧向力；g₀为鼓胀破坏时地基土的自重应力；g_e为作用于AB面的地基土的应力；r₀为碎石桩半径；h：为桩的破坏长度；τ_m：桩间土摩擦力；G₀为鼓胀破坏时破坏范围内桩的自重应力。

结合碎石桩受力特性，考虑地基土和桩体自重作用，依据库伦强度理论，桩的破坏长度h＝2r₀ tanδ_p，破裂面与最大主应力作用方向的夹角

本发明桩间土破坏面倾角的确定：由附图2碎石桩受力模型分析，根据力的多边形，投影在f_n方向的力的平衡方程式：

p_ro f_mcosδ＝c_u f_n+g_e+p_s f_Rsinδ (4)

其中，h＝2r₀ tan δ_p，AC＝2r₀ tan δ_p cotδ，AB＝2r₀ tan δ_p/sinδ；p_ro的作用面积f_m＝4π r² ₀tan δ_p，c_u的作用面积f_R＝4π r² ₀[1+tan δ_p·cot δ]tan δ_p·cot δ，

将f_m、f_n、f_R、g_e代入(4)式中得：

即得鼓胀破坏时地基土作用在桩的侧向力p_ro：

由竖向力平衡，其中，桩体自重应力G₀＝＝γ_p h＝2r₀ tan δ_pγ_p，

则为桩顶应：

为求p_p的最大值，必须p_ro的最大值，对p_ro求导：

得出：

当求单根碎石桩极限承载力时，p_s＝0，则：

则得碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角：

本发明碎石桩单桩极限承载力的确定：当已知桩体材料内摩擦角时，便可知δ_p，由式(8)求出碎石桩鼓胀破坏时的破坏面倾角δ，从而求出单桩的极限承载力[p_p]_max：

即为考虑桩体和地基土自重应力作用的碎石桩极限承载力的确定方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、申请人发现，碎石桩单桩承载力与桩体材料、成桩方式、桩体诸多参数和地基土的性质有关，碎石桩承受上部荷载作用下，地基土侧限约束力随桩体长度的增加而增大；同时，桩体直径越大，其自重应力越大，自稳能力越强。从而在考虑地基土和桩体自重作用下，给出了一种碎石桩单桩承载力的解析计算方法。这种解析计算方法将桩体受力简化至桩间土破裂面方向，建立受力平衡模型，与碎石桩的实际受力情况更符合，计算方法简单，计算结果精确、可靠。

二、在荷载作用下，当地基土侧限约束力和桩体自稳能力不足以抵抗桩顶应力时而发生破坏。传统的Brauns计算式、圆筒形孔扩张理论计算式、WongH.Y计算式、Hughes与Withers计算式均未考虑地基土自重和桩体自重对极限荷载的作用，被动土压力法虽考虑了土体重度的作用，但都没有考虑桩体自重影响。本发明方法考虑了桩周土体从原来竖向受力变为水平受力的状态，力学分析更为明确、全面，计算结果更符合现场原位测试承载力。

可见，本发明方法考虑参数更全面，计算简单，得出的碎石桩单桩承载力更为准确，能为碎石桩复合地基处治设计和施工提供更为准确、可靠的依据，从而确保设计合理性、避免浪费。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明：

图1是本发明中碎石桩受力分析模型图。

图2是本发明中碎石桩平面受力分析图。

图3是本发明碎石桩受力时力的多边形分析图。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式，一种碎石桩极限承载力的确定方法，包括以下步骤：

A、碎石桩破坏面倾角

计算碎石桩发生鼓胀破坏时的桩体破坏面倾角δ_p：

式中，为碎石桩内摩擦角；

B、桩间土破坏面倾角

根据步骤A得到的碎石桩发生鼓胀破坏时的桩体破坏面倾角δ_p，按下式(2)计算碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角δ：

C、确定碎石桩单桩极限承载力

依据步骤B得到的碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角δ，按下式(3)确定碎石桩单桩极限承载力[P_p]_max：

式中，c_u为地基土的不排水抗剪强度；γ为桩间土重度；γ_p为碎石桩重度；r₀为碎石桩半径。

下面给出采用本例方法对一高速公路填方路基碎石桩复合地基单桩承载力的确定过程及结果，以及与其他方法确定的单桩承载力的比较结果。

本实施例中，通过物理力学试验，得出填方路基基底软土的γ＝17.5kN/m³，c_u＝15kPa；碎石桩γ_p＝21.0kN/m³，桩半径r₀＝1.13m。

根据以上参数，由A步的公式得桩体破裂面倾角

进而由B步的公式得碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角δ：

再由以上参数和C步的公式得该工点碎石桩单桩极限承载力[p_p]_max：

按现有理论计算：

(1)Brauns：

(2)Hughes与Withers(1974)：

(3)被动土压力：

(4)Wong H.Y(1975)：

根据现场重型Ⅱ动力触探确定碎石桩极限承载力，施工完成后，对3％的桩体进行了重型Ⅱ动力触探试验，最小技术为9击，最大为14击，平均值为10击，即承载力为400kPa。

可见，不同的计算理论计算结果相差较大，离散性较大，而本发明方法考虑了地基土和桩体的自重应力，相比其他确定方法，所得到的碎石桩单桩承载力精度更高，更符合工程实际，为设计提供依据，避免浪费基材。

Claims (1)

1.一种碎石桩极限承载力的确定方法，包括以下步骤：

A、碎石桩破坏面倾角

计算碎石桩发生鼓胀破坏时的桩体破坏面倾角δ_p：

式中，为碎石桩内摩擦角；

B、桩间土破坏面倾角

根据步骤A得到的碎石桩发生鼓胀破坏时的桩体破坏面倾角δ_p，按下式(2)计算碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角δ：

C、确定碎石桩单桩极限承载力

依据步骤B得到的碎石桩发生鼓胀破坏时桩间土破坏面倾角δ，按下式(3)确定碎石桩单桩极限承载力[P_p]_max：

式中，c_u为地基土的不排水抗剪强度；γ为桩间土重度；γ_p为碎石桩重度；r₀为碎石桩半径。