散体材料桩复合地基沉降计算方法探讨

张凤涛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300000)

近年来，随着我国基础建设的发展，遇见的地基问题也越来越多，这就不可避免的要运用地基处理技术来解决这个问题。其中散体材料桩(如振冲碎石桩、砂桩等)由于技术简单、施工简便，得到越来越广泛的应用。但由于散体材料桩复合地基的复杂性，其沉降计算的理论还不成熟。

1 散体材料桩复合地基沉降工作机理

散体材料桩与刚性桩(如CFG桩等)不同，主要由散体材料组成，如砂和碎石等。散体材料自身没有胶结力，需要桩周土形成约束才能作为增强体。当散体材料桩复合地基受到外力时，由于散体材料没有胶结力，自然产生横向变形，受到桩周土体的约束，最终桩土协调一致共同变形。在分析碎石桩或砂桩的横向变形基础上建立的沉降计算方法，将散体桩横向变形用在极限状态分析当中。

2 沉降计算方法

2.1 复合模量法

散体材料桩复合地基桩土模量比不大，桩土应力比也不大，桩土变形协调，桩周土与桩体的强度发挥基本一致，因此实际工程中沉降量一般用复合模量法。

复合地基的沉降模量按下式计算:

其中，Esp'，Ep'，Es'分别为复合地基、碎石桩、桩周土的沉降模量。

复合模量法的关键问题是复合模量的确定。很多学者对此进行了研究，如蔡飞、李广信［1］认为碎石桩桩侧摩阻力为折线分布与试验结果较一致，得到碎石桩桩体压缩模量公式为:

其中，Lt为载荷P对碎石桩的影响深度;Ka为主动土压力系数;v为碎石桩的泊松比。

盛崇文［2］认为弹性模量可通过载荷试验P—S曲线确定:

在此基础上进行修正可得沉降模量E':

其中，w为载荷板形状系数;E为弹性模量;v为泊松比;P为平均荷载，kPa。

对于刚性基础，盛崇文认为 Esp'=nEs'，其中，n为桩土应力比，而:

在盛崇文理论框架下，姜前［3］对由载荷试验推求碎石桩的变形模量进行了改进:

其中，H为载荷P对碎石桩的影响深度;S为单桩载荷试验对应于荷载P的沉降值。

2.2 沉降折减法

复合地基加固区沉降的计算目前较多采用的是沉降折减法，考虑复合地基发挥的作用而对天然地基的沉降量进行折减的方法，其计算公式有多种。常根据天然地基的沉降量S0，由面积置换率m，桩土应力比n，通过沉降折减系数来求出，即:

因此，重要的一点是如何求得合理的n值，也可以说是β。

郭蔚东［4］应用应力剪胀理论，提出了考虑到桩土剪胀性的桩土应力比和沉降折减系数的简明实用计算公式。

张定［5］根据刚性基础下复合地基中桩与土在荷载作用下变形的连续性和协调性，分析桩与土的应力与应变关系，并建立桩土应力比表达式及复合地基的沉降折减系数计算公式。

2.3 分段计算法

对散体材料桩复合地基桩与桩间土的相互作用进行研究，根据室内模型试验表明:在桩顶附近2倍桩径深度范围内存在应力集中现象。散体材料桩在一定深度内发生鼓胀破坏，因此，将复合地基分为鼓胀段、非鼓胀段和下卧层3段进行沉降计算。邓修甫［6，7］提出将碎石桩简化成等体积墙体，将桩体分为鼓胀段与非鼓胀段计算沉降，并推导出相应的计算公式。孙林娜［8］假定桩—土协调变形，利用弹性力学空间问题理论推导出散体材料桩复合地基的沉降计算公式。

3 沉降计算方法评述

3.1 复合模量法

龚晓南［9］通过电算模拟分析，得出结论:上部的复合加固土层压缩模量Esp'与下卧土层压缩模量Es'的比值大约为1.6～2.2。这种情况应力分布近似于均质地基。故对散体材料桩复合地基的应力分布，宜按均质地基计算较为合理、简便、实用。

3.2 沉降折减法

上述各种求沉降折减系数的方法都是在一定假设的基础上，应用不同的理论推导所得，均有一定的适应性和局限性。郭蔚东［4］是应用应力剪胀理论针对饱和黄土而推导出沉降折减系数，对其他土质有一定的局限性，另外计算桩土应力没能考虑面积置换率的影响。张定［5］根据复合地基桩土应力应变连续协调的原理，其作用机理能较好的反映实际情况，适用性较强，该法在形式上与应力修正法有相似之处，但机理分析不同，它是根据复合地基中桩土应力及变形的协调关系导出的。

3.3 分段计算法

将桩体分为鼓胀段与非鼓胀段计算沉降，反映了碎石桩复合地基在深度范围内各自的工作性状，物理意义明确。邓修甫［6，7］考虑了桩径和桩距对加固效果的影响，比较合理。但不足之处在于这种方法没有考虑桩土的共同作用问题，孙林娜［8］将散体材料桩复合地基桩与桩间土的相互作用视为空间问题，比较符合实际。

4 结语

上述这些方法都是基于刚性基础下桩土等应变的假定，将其用于公路和铁路路堤等柔性基础下的加固区沉降计算时，往往与实际值差异很大。另外，碎石桩本身具有良好的透水性，在荷载作用下，桩间土孔隙压力向桩体转移消散，上述这些方法都忽略了桩间土的排水固结而引起的桩间土有效应力增大和强度提高对沉降计算的影响。由于上部结构、基础、地基三部分是不可分割的统一整体，在荷载作用下，各部分的性状相互影响，所以建立考虑上部结构、基础、复合地基共同作用的沉降方法更符合实际情况。

［1］李广信，蔡 飞.旁压试验在计算碎石桩荷载沉降关系中的应用［J］.勘察科学技术，1993(6):13-15.

［2］盛崇文.碎石桩复合地基的沉降计算［J］.土木工程学报，1986，19(1):72-80.

［3］姜 前.计算碎石桩复合地基变形模量的新方法［J］.岩土工程学报，1992，14(4):53-58.

［4］郭蔚东，钱鸿缙.饱和黄土碎石桩地基沉降计算［J］.土木工程学报，1989，22(2):13-21.

［5］张 定.散体材料复合地基中桩体变形模量的分析与计算［J］.岩土工程学报，1999，21(2):205-208.

［6］邓修甫，王祥秋.干振碎石桩复合地基沉降计算方法探讨［J］.水文地质工程地质，2003(3):92-94.

［7］邓修甫，刘新华，张 琳.碎石桩复合地基沉降计算方法［J］.湘潭矿业学院学报，2003，18(4):55-57.

［8］孙林娜，龚晓南.散体材料桩复合地基沉降计算方法的研究［J］.岩土力学，2008，29(3):846-848.

［9］龚晓南，陈明中.关于复合地基沉降的一点看法［J］.地基处理，1998，9(2):10-18.