CN112195703B - 碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法，碎石桩联合土工格栅复合地基符合假定发生深层破坏模式时，针对的碎石桩联合土工格栅复合地基进行稳定性控制的计算是基于刚体极限平衡原理，将碎石桩与桩间的被加固土体按面积等效方法，将路堤覆盖区域下的被加固土体等效为均质土，除路堤覆盖区域外的区域仍为软土区，计算碎石桩联合土工格栅复合地基的安全系数，若该安全系数满足技术规范中的要求，则计算得此安全系数时所需的最小土工格栅极限抗拉刚度，确定的碎石桩联合土工格栅复合地基的设计方案更加经济有效。本发明解决了传统碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性计算问题，同时合理确定碎石桩及土工格栅的强度参数。

Description

碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法

技术领域

本发明涉及一种土建地基稳定性控制的设计方法，尤其涉及一种碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的设计方法。

背景技术

目前，随着我国公路、铁路等建设的快速发展，对于路堤的建设速度以及沉降控制等提出了更高的要求。软土广泛分布在我国沿海地区，其天然含水量大、压缩性高、承载力低和抗剪强度很低，对工程建设提出较大的挑战。而在我国东南沿海地区，上层土大都为饱和软粘土，土体的抗剪强度较低，排水能力较差，因而路堤容易发生失稳破坏。而为了满足工程中承载力，稳定性及沉降控制的要求，一系列地基处理技术得到广泛运用。而其中，碎石桩作为散体材料，既可以作为排水通道加快地基排水固结，同时可以起到加固软土地基的作用。此外，土工格栅作为一种经济高效的地基处理技术也常用软土地基加固。而将这两种技术的优点结合，形成的碎石桩联合土工格栅复合地基在工程也已经应用。现有规范中关于路堤稳定性计算公式，有传统的毕肖普法，简布法等，用来计算路堤整体稳定性。而目前针对碎石桩联合土工格栅复合地基安全系数的计算方法尚不存在。因此，合理确定一种能够针对碎石桩联合土工格栅复合地基的简化计算方法性成为了一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明基于刚体极限平衡原理提供一种路堤荷载下碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法，解决了传统碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性计算问题，同时合理确定碎石桩及土工格栅的强度参数。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法，其中，碎石桩联合土工格栅复合地基包括路堤，所述路堤下是被加固土体，所述被加固土体下是嵌固层，所述被加固土体内布置有碎石桩，桩间的被加固土体为软土；所述的碎石桩联合土工格栅复合地基符合假定发生深层破坏模式时，针对所述的碎石桩联合土工格栅复合地基进行稳定性控制的计算是基于刚体极限平衡原理，将所述碎石桩与桩间的被加固土体按面积等效方法，将所述路堤覆盖区域下的被加固土体等效为均质土，除所述路堤覆盖区域外的区域仍为软土区，计算碎石桩联合土工格栅复合地基的安全系数，若该安全系数满足技术规范中的要求，则计算得此安全系数时所需的最小土工格栅极限抗拉刚度，从而确定所述碎石桩联合土工格栅复合地基的设计方案。

所述的碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法的具体步骤如下：

步骤一、确定所述路堤及被加固土体软土的几何参数，包括路堤及软土地基强度参数、碎石桩及土工格栅参数：

所述路堤的几何参数包括：路堤高度H，路堤坡面水平距离与垂直距离的比值n，软土层厚度D；路堤填土重度γ_f，软土不排水抗剪强度c_c，软土重度γ_c；其中，所述路堤填土为沙土，所述软土为饱和软黏土；

所述碎石桩及土工格栅参数包括碎石桩置换率a_s，碎石桩的内摩擦角

碎石桩重度γ_s，土工格栅极限抗拉强度R，土工格栅与周边土接触面折减系数α；

步骤二、根据步骤一确定的所有参数，利用面积等效公式计算等效后的均质土不排水抗剪强度c_eq，均质土内摩擦角

均质土重度γ_eq：

c_eq＝c_ca_s (1)

γ_eq＝γ_ca_s+γ_s(1-a_s) (3)

步骤三、计算等效后均质土的主动土压力系数K_a：

步骤四、计算碎石桩联合土工格栅复合地基的安全系数FS：

判断得到的安全系数FS是否满足《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2012、《公路路基设计规范》JTG D30-2015和《铁路路基设计规范》TB 10001-2016中规定的安全系数的要求；

若满足要求，执行步骤五；若不满足要求，则调整步骤一确定的参数，重新进行步骤二到步骤四的计算，直到计算所得安全系数满足规范要求。

步骤五、通过土工格栅满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度，确定所述碎石桩联合土工格栅复合地基的设计方案：

根据步骤四求得的安全系数FS计算该碎石桩联合土工格栅复合地基的土工格栅满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度：

计算路堤填土的主动土压力系数K_a ^f：

满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度计算公式：

根据公式(7)，在步骤一相对应的路堤，软土地基，碎石桩下，得到满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度，使得设计方案更加经济有效。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了目前存在的基于刚体极限平衡原理的安全系数计算公式适用于大部分复合地基形式对地基处理技术没有针对性的特点的问题，解决了针对碎石桩联合土工格栅复合地基安全系数计算，及碎石桩与土工格栅强度参数取值的问题，同时考虑了土工格栅与路堤土接触面摩擦系数的发挥程度问题，提出了一种计算成本低，针对性强，应用简单容易推广的计算方法。在碎石桩参数计算时由于本方法基于刚体极限平衡原理，碎石桩与桩间软土按面积等效方法等效为路堤下的均质土地基，除路堤覆盖区域外，其他区域仍为软土区，极大程度上简化了计算模型，节约了计算成本。同时本发明假设深层破坏面对路堤安全系数进行计算，贴近工程实际。此外，在土工格栅参数计算时，假设土工格栅与周边土体的摩擦力全部发挥，其具体数值受界面折减系数的控制，得到能够满足安全系数要求的最小抗拉强度，在提高稳定性的基础上进一步节约成本。

本发明计算方法具有计算成本低，针对性强，理论可靠，结果合理，简单易行，适用性强，设计方案经济性好的优点。

附图说明

图1为本发明碎石桩联合土工格栅复合地基的竖向剖面图；

图2为本发明碎石桩联合土工格栅复合地基的等效均质土复合地基竖向剖面图；

图中：1-路堤，2-被加固土体，3-嵌固层，4-碎石桩，5-土工格栅，6-等效均质土。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明提出的一种碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法，其中的所述的碎石桩联合土工格栅复合地基包括路堤1，所述路堤1下是被加固土体2，所述被加固土体2下是嵌固层3，所述被加固土体2内布置有碎石桩4，桩间的被加固土体5为软土，如图1所示。本发明的计算方法中主要包括碎石桩联合土工格栅复合地基深层破坏模式下安全系数计算以及相应安全系数下土工格栅极限抗拉刚度的计算。所述的碎石桩联合土工格栅复合地基符合假定发生深层破坏模式时，针对所述的碎石桩联合土工格栅复合地基进行稳定性控制的计算是基于刚体极限平衡原理，将所述碎石桩与桩间的被加固土体按面积等效方法，将所述路堤覆盖区域下的被加固土体等效为均质土6，如图2所示，除所述路堤覆盖区域外的区域仍为软土区，计算碎石桩联合土工格栅复合地基的安全系数，若该安全系数满足技术规范中的要求，则计算得此安全系数时所需的最小土工格栅极限抗拉刚度，从而确定所述碎石桩联合土工格栅复合地基的设计方案。具体步骤如下：

步骤一、确定所述路堤及被加固土体软土的几何参数，包括路堤及软土地基强度参数、碎石桩及土工格栅参数：

所述路堤的几何参数包括：路堤高度H，路堤坡面水平距离与垂直距离的比值n，软土层厚度D；路堤填土(砂土)重度γ_f，软土(饱和软黏土)不排水抗剪强度c_c，软土(饱和软黏土)重度γ_c；其中，所述路堤填土为沙土，所述软土为饱和软黏土。

所述碎石桩及土工格栅参数包括碎石桩置换率a_s，碎石桩的内摩擦角

碎石桩重度γ_s，土工格栅极限抗拉强度R，土工格栅与周边土接触面折减系数α。

步骤二、根据步骤一确定的所有参数，利用面积等效公式计算等效后的均质土不排水抗剪强度c_eq，均质土内摩擦角

均质土重度γ_eq：

所述面积等效公式如下：

c_eq＝c_ca_s (1)

γ_eq＝γ_ca_s+γ_s(1-a_s) (3)

公式(1)至(3)中的有关参数在步骤一种已经确定。

步骤三、计算等效后均质土的主动土压力系数K_a：

步骤四、计算碎石桩联合土工格栅复合地基的安全系数FS：

上述安全系数FS即为所述碎石桩联合土工格栅复合地基深层破坏模式下安全系数。

根据所述安全系数验算得到的所述路堤及被加固土体软土的几何参数的具体数值依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)、《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)和《铁路路基设计规范》(TB 10001-2016)中复合地基承载力及变形要求验算确定。即判断步骤四计算得到的安全系数FS是否满足上述规范中规定的安全系数的要求，本发明的方法基于刚体极限平衡原理，将碎石桩与桩间软土按面积等效方法等效为路堤下的均质土地基，除路堤覆盖区域外，其他区域仍为软土区，同时本发明假设深层破坏面对路堤安全系数进行计算。该方法假设土工格栅与周边土体的摩擦力发挥到极限，接触面性质由土工格栅与周边土体接触面摩擦折减系数α控制。由公式(5)可得，一旦路堤参数与软土地基参数确定后，安全系数主要受碎石桩摩擦角和置换率控制。

计算得到的安全系数FS，若满足要求，则按照步骤五通过土工格栅满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度，确定所述碎石桩联合土工格栅复合地基的设计方案。

若不满足要求，则调整步骤一确定的参数，重新进行步骤二到步骤四的计算，直到计算所得安全系数满足规范要求。

步骤五、根据步骤四求得的安全系数FS计算该碎石桩联合土工格栅复合地基的土工格栅满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度：

计算路堤填土的主动土压力系数K_a ^f：

满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度计算公式：

根据公式(7)，在步骤一相对应的路堤，软土地基，碎石桩下，得到满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度，使得设计方案更加经济有效。

研究算例：

设一路堤高度H＝5m，路堤坡面水平距离与垂直距离的比值n＝1.5，软土层厚度D＝10m；路堤填土(砂土)重度γ_f＝18kN/m³，软土(饱和软黏土)不排水抗剪强度c_c＝20kPa，软土(饱和软黏土)重度γ_c＝16kN/m³；碎石桩及土工格栅参数包括碎石桩置换率a_s＝0.1，碎石桩的内摩擦角

碎石桩重度γ_s＝17kN/m³,土工格栅与周边土接触面折减系数α＝0.8。

将上述参数代入公式(1)-(5)，计算得到路堤安全系数FS为1.46，其计算结果满足《公路路基设计规范》JTG D30-2015采用快剪指标正常工况下二级及二级以上公路安全系数不小于1.35的要求。将计算得到的安全系数代入公式(6)和公式(7)可以得到满足该安全系数下的土工格栅最小抗拉强度。该案例情况下所需要的土工格栅抗拉强度R为184kN/m。此时的设计方案最大程度的发挥了土工格栅的限制地基土水平位移的作用，得到符合安全系数要求的最优解。

综上，本发明的计算方法包括碎石桩联合土工格栅复合地基深层破坏模式下安全系数计算以及相应安全系数下土工格栅极限抗拉刚度的计算。该方法主要是针对目前存在的基于刚体极限平衡原理的安全系数计算公式适用于大部分复合地基形式对地基处理技术没有针对性的特点，而该方法弥补了现有安全系数计算方法针对所有类型的路堤边坡采用统一计算方法的不足。其中，该计算方法是基于刚体极限平衡原理，将碎石桩复合地基按面积等效方法等效为路堤下的均质土地基，除路堤覆盖区域外，其他区域仍为软土区，同时本发明假设深层破坏面以适应工程需求。通过所述安全系数计算公式，选取合适的碎石桩及土工格栅设计方案使计算得到的安全系数满足《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2012、《公路路基设计规范》JTG D30-2015和《铁路路基设计规范》TB 10001-2016中要求而使得设计方案更加经济有效。

本发明解决了碎石桩联合土工格栅复合地基安全系数计算，及碎石桩与土工格栅强度参数取值的问题，同时考虑了土工格栅与路堤土接触面摩擦系数的发挥程度。本发明计算成本低，针对性强，理论可靠，结果合理、简单易行，适用性强、设计方案经济性好。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种碎石桩联合土工格栅复合地基稳定性控制的计算方法，其中，碎石桩联合土工格栅复合地基包括路堤，所述路堤下是被加固土体，所述被加固土体下是嵌固层，所述被加固土体内布置有碎石桩，桩间的被加固土体为软土；

所述的碎石桩联合土工格栅复合地基符合假定发生深层破坏模式时，针对所述的碎石桩联合土工格栅复合地基进行稳定性控制的计算是基于刚体极限平衡原理，将所述碎石桩与桩间的被加固土体按面积等效方法，将所述路堤覆盖区域下的被加固土体等效为均质土，除所述路堤覆盖区域外的区域仍为软土区，计算碎石桩联合土工格栅复合地基的安全系数，若该安全系数满足技术规范中的要求，则计算得此安全系数时所需的最小土工格栅极限抗拉刚度，从而确定所述碎石桩联合土工格栅复合地基的设计方案；

其特征在于，该计算方法包括以下步骤：

步骤一、确定所述路堤及被加固土体软土的几何参数，包括路堤及软土地基强度参数、碎石桩及土工格栅参数：

所述路堤的几何参数包括：路堤高度H，路堤坡面水平距离与垂直距离的比值n，软土层厚度D；路堤填土重度γ_f，软土不排水抗剪强度c_c，软土重度γ_c；其中，所述路堤填土为沙土，所述软土为饱和软黏土；

所述碎石桩及土工格栅参数包括碎石桩置换率a_s，碎石桩的内摩擦角

碎石桩重度γ_s，土工格栅极限抗拉强度R，土工格栅与周边土接触面折减系数α；

步骤二、根据步骤一确定的所有参数，利用面积等效公式计算等效后的均质土不排水抗剪强度c_eq，均质土内摩擦角

均质土重度γ_eq：

c_eq＝c_ca_s (1)

γ_eq＝γ_ca_s+γ_s(1-a_s) (3)

步骤三、计算等效后均质土的主动土压力系数K_a：

步骤四、计算碎石桩联合土工格栅复合地基的安全系数FS：

判断得到的安全系数FS是否满足《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2012、《公路路基设计规范》JTG D30-2015和《铁路路基设计规范》TB 10001-2016中规定的安全系数的要求；

若满足要求，执行步骤五；若不满足要求，则调整步骤一确定的参数，重新进行步骤二到步骤四的计算；

步骤五、通过土工格栅满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度，确定所述碎石桩联合土工格栅复合地基的设计方案：

根据步骤四求得的安全系数FS计算该碎石桩联合土工格栅复合地基的土工格栅满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度：

计算路堤填土的主动土压力系数K_a ^f：

满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度计算公式：

根据公式(7)，在步骤一相对应的路堤，软土地基，碎石桩下，得到满足安全系数要求的最小的土工格栅极限抗拉强度，使得设计方案更加经济有效。

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