CN111042219A - Cfg桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，涉及土木工程技术领域，本发明包括褥垫层几何相似比确定、褥垫层相似材料的物理力学参数计算、相似条件综合判定、褥垫层厚度确定四个部分，用来确定不同地质条件、不同桩基设计参数条件的CFG桩复合地基褥垫层厚度，解决了相似模型试验中CFG桩复合地基褥垫层材料和几何相似性问题，可以保证桩、桩间土的协同工作，有利于客观地揭示桩复合地基承载特性，安全、经济、合理地设计CFG桩复合地基，为安全、经济合理地设计CFG桩复合地基提供条件，从而获得良好的经济效益和社会效益。

Description

CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法。

背景技术

采用CFG桩等刚性桩、半刚性桩的复合地基方案，开展地基处理是世界工程界处理软弱地基的重要方法之一。因软弱地基分布广泛、地基承载性能逐渐提高，地基处理工程造价在工程建设成本中的占比较大。

在桩复合地基的地基处理方案中，为提高地基土的承载能力发挥，规范要求桩顶上部与基础底面之间设置一定厚度的砂石材料褥垫层，保证桩、桩间土的协同工作，减小CFG桩复合地基沉降，提高地基承载力，从而获得良好的经济效益和社会效益。

目前，在确定褥垫层厚度方面主要是通过实验室模型试验和工程监测两种手段，经过统计分析和力学分析，给出的建议值，其本质是经验方法。由于岩土材料的非线性和离散性，以及桩土相互作用的差异性，不同地质条件、不同桩基设计参数条件的CFG桩复合地基仍然采用单一褥垫层厚度是不安全的，经济指标也是不合理的。

竖向静载荷CFG桩复合地基的相似模型试验为客观、经济地揭示桩复合地基承载能力提供了必要手段，为开展经济、安全设计CFG桩复合地基工程提供了条件。但是，目前实验室模型试验的褥垫层厚度仅仅考虑了几何相似条件，忽律了褥垫层模量、泊松比等物理性质对复合地基承载特征的影响，不能厘清CFG桩-桩间土的荷载传递规律、褥垫层-桩间土-CFG桩的协同变形等承载机理的核心问题。需要提供一种竖向静载荷CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，便于勘察设计部门开展相似模型试验，并结合现场试验数据，提供相应的设计参数。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，发明CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，包括褥垫层几何相似比确定、褥垫层相似材料的物理力学参数计算、相似条件综合判定、褥垫层厚度确定四个部分，用来确定不同地质条件、不同桩基设计参数条件的CFG桩复合地基褥垫层厚度，为安全、经济合理地设计CFG桩复合地基提供条件。

CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，具体步骤如下：

步骤1：褥垫层几何相似比确定：根据CFG桩的几何尺寸参数桩长、桩间距、试验箱体、原型试验褥垫层，以及试验的边界条件、加载方式以及试验时间，计算CFG桩复合地基相似模型试验的几何相似比；

步骤2：褥垫层相似材料的物理力学参数计算：根据相似准则，原型试验与模型试验的两个力学现象相似，则相等的原则，建立CFG桩复合地基褥垫层材料相似准则、相似比例系数公式(1)：

式中，C_p为外荷载的相似系数；C_c为土粘聚力的相似系数；C_γt为CFG桩重度的相似系数；C_l为桩长的相似系数；C_Ez为CFG桩弹性模量的相似系数；C_γz为土重度的相似系数；C_μz为CFG桩泊松比的相似系数；C_μt为土泊松比的相似系数；

为土内摩擦角的相似系数；

褥垫层相似材料物理力学参数按照下述公式计算

式中，p′为相似试验外荷载；p为原型试验外荷载；l′为相似试验CFG桩长；l为原型试验CFG桩长；c′为相似试验土粘聚力；c为原型试验土粘聚力；μ′_t为相似试验CFG桩泊松比；μ_t为原型试验CFG桩泊松比；μ′_z为相似试验土泊松比；μ_z为原型试验土泊松比；E′_t为相似试验CFG桩弹性模量；E_t为原型试验CFG桩弹性模量；E′_z为相似试验土弹性模量；E_z为原型试验土弹性模量；γ′_z为相似试验CFG桩重度；γ_z为原型试验CFG桩重度；γ′_t为相似试验土重度；γ_t为原型试验土；

为相似试验土内摩擦角；

为原型试验土内摩擦角；

步骤3：相似材料选取与相似条件综合判定：对所选取的桩顶褥垫层相似材料进行有效的评价，判定其相似程度；

所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1：设需要配置的桩顶褥垫层相似材料一共有M种，每种相似材料考虑N个物理力学参数，则由M种材料的所有物理力学参数组成一个N×M矩阵，如下式所示：

式中，x_ij(i＝1，2，3，......，N；j＝1，2，3，......，M)表示第j种相似材料的第i个物理力学参数值；

步骤3.2：计算岩土材料相似的隶属函数，对选取的桩顶褥垫层相似材料和给定的原状岩土体之间的关系可以通过隶属函数μ_ij公式表示为：

式中：x_i为原状岩土体第i个物理力学参数值，c_i为按相似准则得到的第i个物理力学参数的相似常数且各物理力学参数值并非是等权值，而是存在各个物理力学参数重要性不同的权值分配问题，设权值的模糊向量ω为：

ω＝(ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅) (5)

式中：ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅为各个物理力学参数的权值，且满足归一化(式6)

步骤3.3：褥垫层的相似材料的确定

步骤3.3.1：根据步骤2结果，初步选取模型试验褥垫层相似材料，进而评价模型试验褥垫层材料与原型试验褥垫层材料的相似性。

步骤3.3.2：对褥垫层材料进行相似性评价，根据模糊线性加权变换方法，综合评判指数如公式(7)所示：

式中，

为综合评判指数；μ为隶属函数向量；

且满足重度相似的相似条件值为式(8)，

γ_t/γ'_t＝C_γt (8)

当根据式(7)、式(8)，判定CFG桩顶褥垫层原型岩土体、模型岩土体有关物理力学参数的相似性，选取褥垫层的相似材料。

步骤4：褥垫层厚度确定：根据步骤1确定的几何相似比和步骤3选取的材料，对CFG桩顶褥垫层原型按照几何相似比计算相似模型试验的褥垫层厚度，并按照步骤3选取的材料制备。

本发明的有益效果：

本发明提供一种CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，解决了相似模型试验中CFG桩复合地基褥垫层材料和几何相似性问题，可以保证桩、桩间土的协同工作，有利于客观地揭示桩复合地基承载特性，安全、经济、合理地设计CFG桩复合地基，从而获得良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的方法总体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：褥垫层几何相似比确定：根据CFG桩的几何尺寸参数桩长、桩间距、试验箱体、原型试验褥垫层，以及试验的边界条件、加载方式以及试验时间，计算CFG桩复合地基相似模型试验的几何相似比；

本实施例中模型试验综合考虑制作模型、试验周期、数据测量的精确程度以及加载设备等条件，并经过相似性分析，最终确定模型试验的几何相似常数C_l＝15。

步骤2：褥垫层相似材料的物理力学参数计算：根据相似准则，原型试验与模型试验的两个力学现象相似，则相等的原则，建立CFG桩复合地基褥垫层材料相似准则、相似比例系数公式(1)：

式中，C_p为外荷载的相似系数；C_c为土粘聚力的相似系数；C_γt为CFG桩重度的相似系数；C_l为桩长的相似系数；C_Ez为CFG桩弹性模量的相似系数；C_γz为土重度的相似系数；

C_μz为CFG桩泊松比的相似系数；C_μt为土泊松比的相似系数；

为土内摩擦角的相似系数；

褥垫层相似材料物理力学参数按照下述公式计算

式中，p′为相似试验外荷载；p为原型试验外荷载；l′为相似试验CFG桩长；l为原型试验CFG桩长；c′为相似试验土粘聚力；c为原型试验土粘聚力；μ′_t为相似试验CFG桩泊松比；μ_t为原型试验CFG桩泊松比；μ′_z为相似试验土泊松比；μ_z为原型试验土泊松比；E′_t为相似试验CFG桩弹性模量；E_t为原型试验CFG桩弹性模量；E′_z为相似试验土弹性模量；E_z为原型试验土弹性模量；γ′_z为相似试验CFG桩重度；γ_z为原型试验CFG桩重度；γ′_t为相似试验土重度；γ_t为原型试验土；

为相似试验土内摩擦角；

为原型试验土内摩擦角；

本实施例中几何相似常数C_l＝15，亦即C_r＝15且控制C_γz＝C_γt＝1.0，则根据式(1)计算原型参数与模型参数之间的相似比系数如表1所示，原型岩土体的物理参数值如表2所示。

表1物理参数相似比

表2褥垫层材料物理参数实际值和相似模拟计算值

步骤3：相似材料选取与相似条件综合判定：对所选取的桩顶褥垫层相似材料进行有效的评价，判定其相似程度；

所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1：设需要配置的桩顶褥垫层相似材料一共有M种，每种相似材料考虑N个物理力学参数，则由M种材料的所有物理力学参数组成一个N×M矩阵，如下式所示：

式中，x_ij(i＝1，2，3，......，N；j＝1，2，3，......，M)表示第j种相似材料的第i个物理力学参数值；

本实施例中i＝1，2，3，4，5；j＝1；

步骤3.2：计算岩土材料相似的隶属函数，对选取的桩顶褥垫层相似材料和给定的原状岩土体之间的关系可以通过隶属函数μ_ij公式表示为：

式中：x_i为原状岩土体第i个物理力学参数值，c_i为按相似准则得到的第i个物理力学参数的相似常数，i＝1，2，3，4，5，将原型岩土体的物理参数值(表2)和与之对应的相似比例系数代入公式(4)，计算出隶属函数，计算值全体组成隶属函数矩阵μ是一个模糊关系矩阵，如公式9所示：

且各物理力学参数值并非是等权值，而是存在各个物理力学参数重要性不同的权值分配问题，设权值的模糊向量ω为：

ω＝(ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅) (5)

式中：ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅为各个物理力学参数的权值，且满足归一化，如公式6所示，其中N＝5，物理力学参数参考权值如表3所示；

表3物理力学参数参考权值

步骤3.3：褥垫层的相似材料的确定

步骤3.3.1：根据步骤2结果，初步选取模型试验褥垫层相似材料，进而评价模型试验褥垫层材料与原型试验褥垫层材料的相似性。

本实施例中初步选取模型试验褥垫层相似材料为粉砂，粉砂的物理力学参数如表4所示，进而评价模型试验褥垫层材料与原型试验褥垫层材料的相似性。

表4粉砂物理力学参数指标

步骤3.3.2：对褥垫层材料进行相似性评价，根据模糊线性加权变换方法，综合评判指数如公式(7)所示：

式中，

为综合评判指数；μ为隶属函数向量；

且满足重度相似的相似条件值为式(8)，

γ_t/γ'_t＝C_γt (8)

当根据式(7)、式(8)，判定CFG桩顶褥垫层原型岩土体、模型岩土体有关物理力学参数的相似性，选取褥垫层的相似材料。

本实施例中将表3代入式(5)后，与式(9)代入式(7)，得到综合判定指数式(10)。

按照原型试验与模型试验的重度满足重度相似的相似条件值(式11)，

γ₁/γ＝20/19≈1.053→C_γt＝1.0 (11)

由此，可以确定表4物理力学参数的粉砂基本满足原型试验相似条件，可以选取为褥垫层的相似材料。

步骤4：褥垫层厚度确定：根据步骤1确定的几何相似比和步骤3选取的材料，对CFG桩顶褥垫层原型按照几何相似比计算相似模型试验的褥垫层厚度，并按照步骤3选取的材料制备。

根据步骤1确定的几何相似比和步骤3选取的材料，对CFG桩顶褥垫层原型按照几何相似比计算相似模型试验的褥垫层厚度，并按照第三步选取的材料制备。

本实施例中，模型试验的地基材料分上部黏土和下部砂土两层组成，下部地基选用含水率24.133％、湿密度19kN/m3的中砂分层振捣夯实；下部地基为配制含水率为24.0％、内摩擦角和黏聚力分别为12.86°和7.581kPa的配制黏土。模型桩体长度为53cm，变截面条件下扩径段桩体长度为16.5cm，标准段桩体长度为36.5cm，且模型桩体变径比分别为1.50，褥垫层厚度为30mm。CFG桩复合地基试验结果如表5所示。

表5变截面桩复合地基试验工况2的荷载和位移的数据采集

分析可知，由于复合地基的软土为欠固结地基，Q－s曲线的中段出现反曲率的曲线段，其原因是地基表面荷载施加加速了地基的固结变形所致。根据LogQ－s曲线判定的模型试验极限荷载为55.841kPa，极限荷载时荷载板中心点位移为19.335mm，按相似比计算的原型CFG桩复合地基的极限荷载为837.618kPa。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：褥垫层几何相似比确定：根据CFG桩的几何尺寸参数桩长、桩间距、试验箱体、原型试验褥垫层，以及试验的边界条件、加载方式以及试验时间，计算CFG桩复合地基相似模型试验的几何相似比；

步骤2：褥垫层相似材料的物理力学参数计算：根据相似准则，原型试验与模型试验的两个力学现象相似，则相等的原则，建立CFG桩复合地基褥垫层材料相似准则、相似比例系数公式(1)：

式中，C_p为外荷载的相似系数；C_c为土粘聚力的相似系数；C_γ为桩的重度相似系数；C_γt为CFG桩重度的相似系数；C_l为桩长的相似系数；C_Ez为CFG桩弹性模量的相似系数；C_Et为土的弹性模量相似系数；C_γz为土重度的相似系数；C_μz为CFG桩泊松比的相似系数；C_μt为土泊松比的相似系数；

为土内摩擦角的相似系数；

褥垫层相似材料物理力学参数按照下述公式(2)计算：

式中，p′为相似试验外荷载；p为原型试验外荷载；l′为相似试验CFG桩长；l为原型试验CFG桩长；c′为相似试验土粘聚力；c为原型试验土粘聚力；μ′_t为相似试验CFG桩泊松比；μ_t为原型试验CFG桩泊松比；μ′_z为相似试验土泊松比；μ_z为原型试验土泊松比；E′_t为相似试验CFG桩弹性模量；E_t为原型试验CFG桩弹性模量；E′_z为相似试验土弹性模量；E_z为原型试验土弹性模量；γ′_z为相似试验CFG桩重度；γ_z为原型试验CFG桩重度；γ′_t为相似试验土重度；γ_t为原型试验土；

为相似试验土内摩擦角；

为原型试验土内摩擦角；

步骤3：相似材料选取与相似条件综合判定：对所选取的桩顶褥垫层相似材料进行有效的评价，判定其相似程度；

步骤4：褥垫层厚度确定：根据步骤1确定的几何相似比和步骤3选取的材料，对CFG桩顶褥垫层原型按照几何相似比计算相似模型试验的褥垫层厚度，并按照步骤3选取的材料制备。

2.根据权利要求1所述的CFG桩复合地基相似模型试验褥垫层厚度的确定方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1：设需要配置的桩顶褥垫层相似材料一共有M种，每种相似材料考虑N个物理力学参数，则由M种材料的所有物理力学参数组成一个N×M矩阵，如下式所示：

式中，x_ij(i＝1，2，3，......，N；j＝1，2，3，......，M)表示第j种相似材料的第i个物理力学参数值；

步骤3.2：计算岩土材料相似的隶属函数，对选取的桩顶褥垫层相似材料和给定的原状岩土体之间的关系可以通过隶属函数μ_ij公式表示为：

式中：x_i为原状岩土体第i个物理力学参数值，c_i为按相似准则得到的第i个物理力学参数的相似常数且各物理力学参数值并非是等权值，而是存在各个物理力学参数重要性不同的权值分配问题，设权值的模糊向量ω为：

ω＝(ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅) (5)

式中：ω₁,ω₂,ω₃,ω₄,ω₅为各个物理力学参数的权值，且满足归一化(式6)

步骤3.3：褥垫层的相似材料的确定

步骤3.3.1：根据步骤2结果，初步选取模型试验褥垫层相似材料，进而评价模型试验褥垫层材料与原型试验褥垫层材料的相似性；

步骤3.3.2：对褥垫层材料进行相似性评价，根据模糊线性加权变换方法，综合评判指数如公式(7)所示：

式中，

为综合评判指数；μ为隶属函数向量；

且满足重度相似的相似条件值为式(8)，

γ_t/γ'_t＝C_γt (8)

根据式(7)、式(8)，判定CFG桩顶褥垫层原型岩土体、模型岩土体物理力学参数的相似性，选取褥垫层的相似材料。

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