樁承式路堤沉降計(jì)算方法及應(yīng)用

徐文雄 葉丹萍

摘 要：筆者創(chuàng)造性的提出了樁承式路堤樁間土沉降、樁頂沉降、樁頂上刺量、復(fù)合地基沉降計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了數(shù)據(jù)對(duì)比，分析表明實(shí)測(cè)值與理論值是相互吻合的，理論計(jì)算方法是合理的。

關(guān)鍵詞：樁承式路堤；沉降計(jì)算；工程應(yīng)用

在路橋工程中，橋頭跳車是困擾公路建設(shè)一道技術(shù)難題，當(dāng)前我們處理該難題的辦法主要是通過堆載預(yù)壓排水固結(jié)法以及水泥攪拌樁來(lái)解決，但是這兩種方法都存在明顯的缺陷，為了更好的解決橋頭跳車問題，我們?cè)谝恍┕こ讨袆?chuàng)新性的采用了樁承式加筋路堤，這種路堤能有效提高復(fù)合路堤的物理性能，施工的時(shí)候需要在樁頂設(shè)置一個(gè)樁帽，然后在上面再鋪設(shè)一層加鋼筋的墊層，這種軟基處理方法具有施工簡(jiǎn)單、節(jié)約工期、有效減小側(cè)向變形和沉積等特點(diǎn)。但是該方法目前屬于試驗(yàn)階段，在進(jìn)行力學(xué)和變形計(jì)算時(shí)，缺乏可靠的理論基礎(chǔ)，需要在工程實(shí)踐中不斷摸索。

1 樁承式路堤沉降計(jì)算

1.1 樁間土沉降計(jì)算

樁帽以下的土體受力是明顯比樁間土要小的，也是要滯后于樁間土的，樁間土沉降后會(huì)對(duì)樁帽下土體有負(fù)摩擦力作用，由力的相互作用，樁間土沉降同樣也會(huì)受到限制。所以在進(jìn)行土體計(jì)算時(shí)，不能忽略附加應(yīng)力對(duì)于土體的影響，如果忽略而按照天然地基進(jìn)行計(jì)算會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。而對(duì)于下臥層，樁體會(huì)將上部荷載傳遞為摩擦力和樁端力作用于土體上面，樁間土下臥層所受到的附加應(yīng)力是比較小的，所以下臥層的附加應(yīng)力計(jì)算不需要考慮群樁與樁間土之間的相互作用。概括而言，如果不考慮樁帽下土體和樁的相互作用所進(jìn)行的樁間土沉降計(jì)算結(jié)果是偏大一些的。

1.2 樁頂沉降計(jì)算

樁頂沉降主要包括三方面的計(jì)算：樁端下臥層沉降、樁端刺入量和樁身壓縮量。在對(duì)下臥層進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)，需要考慮群樁與樁間土之間相互作用所產(chǎn)生附加應(yīng)力，按照土層法計(jì)算各土層沉降最后相加得出總的沉降值。

下刺量指的是樁端塑性滑移后所發(fā)生的刺入變形量。這個(gè)問題目前還是一個(gè)技術(shù)難題，沒有計(jì)算公式可以借鑒。文獻(xiàn)中敘述到可以采用產(chǎn)生單樁極限承載力所需要的樁土間產(chǎn)生的相對(duì)位移量當(dāng)成剛性樁貫入量，一般取值50～70mm。復(fù)合地基樁、土都會(huì)產(chǎn)生沉降，在這個(gè)過程中，土拱效應(yīng)、加筋墊層等等因素都會(huì)使得樁、土受力發(fā)生變化，樁所承受的荷載會(huì)更大，隨著下刺量的變小，整個(gè)復(fù)合地基也會(huì)變得穩(wěn)定起來(lái)。在此，作者認(rèn)為復(fù)合地基達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，樁土之間的沉降差是很小的，因此我們可以根據(jù)樁土沉降差來(lái)計(jì)算樁端下刺量。

我們通過假設(shè)樁身摩擦力分布就能得出樁身軸力函數(shù)，從而計(jì)算出樁身的彈性壓縮量為：

（1）

（2）

式中：p（l）為樁身軸力隨深度的變化函數(shù)；P為樁頂荷載，α、β分別為沿深度矩形分布和三角形分布的樁側(cè)摩阻力占樁頂總荷載P的百分比；L、EP、AP分別為樁長(zhǎng)、樁身材料模量和截面面積。

樁頂沉降為：

SP=S下+Δ下+SL （3）

式中：SP、S下、Δ下和SL分別為樁頂沉降、樁端下臥層沉降、樁端刺入量和樁身壓縮量。

1.3 樁頂上刺量計(jì)算

樁頂向上刺入墊層有別于樁端刺入下臥層。在路堤填筑過程中樁土產(chǎn)生差異變形后，墊層會(huì)通過其流動(dòng)補(bǔ)償作用（由樁頂補(bǔ)償?shù)綐堕g土，樁頂墊層厚度減小）不斷調(diào)整樁土受力。本文將樁頂上刺量視作墊層在樁土間重新分布引起的路堤沉降，然后依據(jù)上述理論利用幾何方法求出樁土沉降差。樁間土的沉降受到樁帽下土體的約束，就單樁而言，其控制土體離樁越遠(yuǎn)則其沉降就越大，其沉降曲線為計(jì)算簡(jiǎn)便假設(shè)為線性變化。由于墊層在鋪設(shè)時(shí)是充分碾壓的，不考慮它的壓縮性，則由于墊層流動(dòng)補(bǔ)償作用產(chǎn)生的路堤沉降可根據(jù)體積守衡得到：

（4）

式中：r1、r2為樁帽半徑和單樁控制半徑；SP，SS 分別為樁頂和樁間土沉降。

1.4 復(fù)合地基沉降

復(fù)合地基起到加固土體作用，主要是因?yàn)閯傂詷队行Э刂屏说鼗某练e，考慮到樁間土沉降是比較大，因此復(fù)合地基沉降的計(jì)算主要以樁頂沉降、上刺量這兩項(xiàng)。

S=SP+Δ上 （5）

式中：S為復(fù)合地基沉降，SP為樁頂沉降，Δ上為樁頂上刺量。

2 工程實(shí)例分析

某橋梁工程兩橋頭路段采用了新型樁基技術(shù)Y形樁處理，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。下面結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)K4+989～K5+019的Y4斷面進(jìn)行分析。Y形樁布樁采用樁距和樁長(zhǎng)分別為2.7m和13.5m，樁身截面積0.191m2，樁帽直徑1.4m，正三角形布樁，處理寬度50.6m，長(zhǎng)度30m。

填土荷載為106.56kPa，樁土應(yīng)力比取實(shí)測(cè)值11.59，土體泊松比取0.4，樁身彈性模量為2.80×104MPa。其他參數(shù)可通過計(jì)算得到：復(fù)合地基置換率（樁帽）為24.4%；樁帽頂平均應(yīng)力為344.89Kpa，土體表面應(yīng)力29.76kPa；樁身承擔(dān)荷載為490.55KN。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料樁身摩阻力分布做一定簡(jiǎn)化假定為三角形分布，樁頂荷載占總荷載為5%。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值見表2。

從表1中我們可以看到，理論值與實(shí)測(cè)值基本是吻合的。通常情況下，公路中間部分沉降較路面兩側(cè)是要大的，整個(gè)沉降曲線是一條盆狀形狀，此外樁基頂部的沉積較中間土體要小。表1中計(jì)算沉降值指的是路面總的沉降值，而實(shí)測(cè)沉降值則指的是采用樁承式加筋路堤軟基處理技術(shù)后在一段時(shí)間后所測(cè)得的實(shí)際沉降值，隨著時(shí)間的推移，實(shí)測(cè)值還會(huì)繼續(xù)變大的，由此可以看出實(shí)測(cè)值與理論值是相互吻合的，理論計(jì)算方法是合理的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在結(jié)合樁承式路堤的工作機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，探討了樁承式路堤的沉降計(jì)算方法。根據(jù)樁土變形特點(diǎn)分別討論了樁頂、樁間土的沉降計(jì)算，并提出了自己的樁頂上刺量計(jì)算方法。最后對(duì)一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，得出了比較合理的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 張誠(chéng)厚.高速公路軟基處理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 龔曉南，等.高速公路軟弱地基處理理論與實(shí)踐[M].上海：上海大學(xué)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：徐文雄（1976- ），男，漢族，海南澄邁人，工程師，在讀工程碩士，從事工程管理研究工作。