碎石桩加固地基力学机理分析

蒋敏敏 王惠芬 韩尚宇

(1.河南工业大学土木建筑学院，河南郑州 450001;2.南昌航空大学土木建筑学院，江西南昌 330000)

0 引言

碎石桩是一种应用较早的地基处理方法，1976年后开始在我国广泛应用，用于处理易液化土层和软土地基。碎石桩按施工方法分主要有振冲法、干法和沉管法等几种，其中振冲法使用较普遍。碎石桩复合地基在地基中形成碎石墩柱，一方面会对地基土体产生挤密的作用，同时碎石桩体置换了承载力较低的地基土体，并且由于碎石桩体孔隙较大，具有较好的排水通道，因此固结排水作用明显。因此碎石桩体的加固作用主要包括:挤密、置换和固结作用。

1 挤密效应

振冲法使得周围土体液化，颗粒重新排列分布，振冲后周围土体密实度得到提高，在桩周依次产生流态区、过渡区、挤密区和弹性区。流态区强度最小，再投入碎石桩体材料，流态区和过渡区等周围土体得到挤压密实，强度提高，因此振冲后整个碎石桩体周围地基的土体均得到挤密。沉管法的挤密效应明显，通过桩管挤压周围地基土体，使得桩周土体向外扩散，再在桩管中填入碎石料，桩周土体的孔隙比降低、密实度提高。沉管法的挤密效应可使用圆孔扩张理论分析，桩周依次产生塑性区和弹性区。桩周塑性挤密区的半径可表示为:

式中:r0——桩管半径;

E——土体弹性模量;

v——土体泊松比;

cu——土体强度。

地基土体发生挤密后桩周土体承载力得到提高，抗液化性能得到增强。

2 置换效应

碎石桩复合地基在地基内形成碎石桩体，碎石桩体的模量、强度和承载力均高于地基土体，所形成的复合地基承载力比天然地基有较大的增强，沉降量也大大地减小，提高了地基的稳定性。桩体和土体将共同承担外荷载，但由于桩体的模量和承载力高于地基土体，桩体将承担较大的荷载，因此复合地基的承载力得到提高。同时碎石桩复合地基通常还存在垫层，垫层的存在将协调桩体和土体的变形，扩散地基中的应力集中，提高地基的承载力，减小沉降量。碎石桩复合地基的置换率对承载力和变形产生影响，置换率越高，复合地基承载力越大，在荷载作用下的沉降量越小。

3 固结效应

碎石桩体中存在着较大的孔隙，具有良好的排水通道，因此碎石桩具有明显的排水固结作用。太沙基固结理论认为地基土体在加载初始时刻，外荷载全部由孔隙水压力承担，之后地基土体逐渐发生固结，孔隙水应力降低，有效应力增大，直至上部荷载全部由有效应力承担。

复合地基扰动区的渗透系数通常是变化的，离碎石桩越近，渗透系数越小，而通常的复合地基固结计算中，假设周围土体的渗透系数相同。Han假设碎石桩复合地基没有侧向变形、边界不透水、桩体内沿着径向孔压无变化，提出碎石桩复合地基固结的简化计算方法:

其中修正径向固结系数:

修正竖向固结系数:

固结公式与太沙基一维固结理论和巴隆固结理论相似，但固结系数发生了修正。

4 结语

本文对碎石桩复合地基的加固机理进行了分析。碎石桩加固地基土体的主要效应包括:挤密效应、置换效应和固结效应。挤密效应是在振冲和沉管作用下，挤压周围地基土体，使得密实度、承载力和抗液化性能均得到提高。置换效应是由于桩体的模量和承载力较高，替换地基土体后使得地基承载力得到相应的提高。由于碎石桩体有较大的孔隙，分析了基于扰动区渗透系数变化的碎石桩固结特性。

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