水下振沖碎石樁單樁承載力計算方法研究

陳翠翠

1 研究背景

振沖碎石樁作為一種軟基處理方法，是在振沖器作用下，使天然軟土層被振密，同時在天然軟弱土層中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成碎石樁樁體，樁體和樁周地基土組成復合地基。它既可以有效提高復合地基承載力，降低工程后期沉降量，又可以配合砂墊層等其它地基處理措施，加快軟土地基的固結速度，進而達到軟土地基加固的目的，比較適用于對地基承載力要求不高的工程。

振沖碎石樁復合地基在道路、建筑等領域施工及檢測等方法已日漸成熟，相對于陸上工程，振沖碎石樁復合地基在港口工程中的應用案例還比較有限，水下振沖碎石樁的設計理論及計算方法還需要進一步研究，施工相關技術還有待改進，其檢測技術還有待提高，相關工程經驗還有待積累。根據《港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程》（JTJ 246-2004）中的有關規定振沖碎石樁檢測時應進行復合地基載荷試驗，但水上工程大多受水上環境的限制，無法像陸上施工一樣進行平板載荷試驗。由于目前碎石樁在港口實際工程地基處理中的應用還不夠廣泛，我國規范關于水下振沖碎石樁復合地基的承載力計算及檢測方法經驗較為缺乏。本文基于典型工程中檢測數據對Brauns計算方法進行修正，提出水上振沖碎石樁單樁承載力計算公式。

2 碎石樁承載力近似計算理論

振沖碎石樁復合地基的承載力，不但決定于碎石樁樁體的置換率和密實度，同時還受樁間土的性質和強度制約。工程界認為碎石樁樁長達到一定的臨界長度（目前一致認為該長度大概可以取為4倍的樁徑）時樁體一般可以不考慮刺入破壞的情況。在某些特殊情況下，如基底面積相對較小，而同時局部的荷載偏大時，樁頂容易產生剪切破壞。對于振沖碎石樁復合地基來說，多數情況下還是以樁周土對樁體的約束力不足，無法保證樁形，導致樁體產生膨脹破壞，同時樁間土對樁體的約束力也是隨著深度的增加而增加。所以樁體容易產生膨脹破壞的位置以樁頂附近區域為主?，F有的幾種計算模型，也都是基于以上分析建立起來的。

上部荷載作用下振沖碎石樁樁體發生膨脹破壞時，樁周土則進入塑性狀態或極限平衡狀態，根據土力學三軸壓縮試驗的受力情況，計算振沖碎石樁的單樁承載力。同時提出以下公式：

式中：—樁體的單樁承載力;

—樁間土的極限應力;

—樁體材料的被動土壓力系數。

通過以上公式，問題就轉化為如何求取樁側土的側向應力。

Brauns（1978年）認為樁體于荷載作用下產生鼓脹變形，致使樁周土達被動極限平衡狀態，如圖1所示。并假設：

（1）樁體上部鼓脹破壞段長度為，其中為樁體半徑，，為樁材料的內摩擦角;

（2）樁周土與樁體間的摩擦力，極限平衡土棱體中環向應力;

（3）不計樁間土和樁體的自重。

再根據樁周土破壞棱體上作用力的極限平衡，求得樁周土側向極限應力為式2：

式中：—樁間土不排水抗剪強度;

—滑動面與水平面的夾角;

—樁周土表面荷載。

將式（2）代入式（1）即獲得該單樁的極限承載力的表達式3為：

其中由下式試算求出。

3 基于實測數據的Brauns修正計算方法

前文所述的各種計算方法多是通過理論推導得出的，本文根據工程實際測得得動力觸探曲線得出，在樁體上端1倍樁徑范圍內的樁體將出現鼓脹破壞，而且隨著時間的推移和沉降的完成，下部土體固結完成，土體得到有效的加固，不再出現更大范圍的樁體鼓脹破壞，所以本文擬在Brauns算法的基礎上，考慮樁體和樁周土的自重，同時擬將其第一條假設修改為樁體上部鼓脹破壞段長度為（即1倍樁徑）。推導過程如圖2。

推導過程中各符號意義：

為樁間土面上應力作用面積（）;為的作用面積（）;為的作用面積（）;為樁頂應力（kPa）;為樁間土受到的應力（kPa）;為破壞面與水平角的夾角（o）;為地基土的不排水抗剪強度（kPa）;為鼓脹破壞時地基土作用于樁的側向力（kPa）;為鼓脹破壞時地基土的自重應力（kPa）;為作用于AB面的地基土自重應力（kPa）;為碎石樁半徑（m）;為樁的破壞長度（m）;為樁間土摩擦力（kPa）;為鼓脹破壞時破壞范圍內樁的自重應力（kPa）。

基本假設：在Brauns理論基礎上，結合碎石樁受力特性，考慮地基土和樁體自重作用并作以下假設：

（1）樁的破壞長度，為樁的半徑;

（2）樁間土摩擦力，土體中的環向應力，如圖3所示：

由圖2中碎石樁受力模型分析，根據圖4力的多邊形投影在方向的力的平衡方程式見式6：

根據檢測資料確定

將代入式（6）中得：

求單樁極限承載力時，所有外部荷載作用在樁頂，=0。

求得，同時根據上式的函數關系可以知道，隨著樁間土受到荷載的增大，破裂角也將急劇增大。

即：

將本工程的數據代入上式，取為2.2kPa，土體重度為水下以7kN/m?計算，樁徑為1.4m，土體承受的荷載取原狀土承載力80kPa，取為61°，樁體重度為11kN/m?。代入上式可以得出單樁承載力為418kPa，本工程動力觸探檢測單樁承載力為448kPa，該公式計算結果與該數值偏差為6.6%，與實際檢測情況基本相符。

將本式計算所得單樁承載力結果=418kPa，=0.55，=80kPa代入復合地基承載力計算公式，可得：

計算結果符合設計要求。

4 結論

現有水上振沖碎石樁檢測方法存在不足，重型動力觸探存在較大的誤差，應盡量采用多種檢測手段進行調整。本文對實際工程振沖碎石樁采用重型動力觸探進行檢測并對檢測數據進行分析，基于檢測數據對Brauns計算公式進行了修正，得到了水上振沖碎石樁單樁承載力的修正公式。通過實際工程中碎石樁重力觸探檢測數據及土壓力觀測數據對振沖碎石樁的單樁承載力、計算方法等進行研究分析，其研究結果對振沖碎石樁的設計和施工技術有一定的幫助，對振沖碎石樁的工作機理加以明確，在以后的港口工程中對振沖碎石樁的推廣使用有一定的參考價值。

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作者簡介：陳翠翠（1985-），女，山東人，工學碩士，工程師，從事港口工程設計及相關研究工作。