包裹碎石桩承载力分析

齐云龙， 任海波

(核工业西南勘察设计研究院有限公司， 四川 成都　610031)



包裹碎石桩承载力分析

齐云龙， 任海波

(核工业西南勘察设计研究院有限公司， 四川 成都610031)

[摘要]包裹碎石桩是在碎石桩外包裹一层土工材料制成的一种桩体。为了更好地研究这种桩体的承载力情况，进行室内模型试验。由所加荷载和承压板沉降值得到了承载力-沉降曲线，在桩体内布置土压力盒，实测桩身轴力，研究了包裹碎石桩的荷载传递情况、端阻力和侧摩阻力。通过试验发现包裹碎石桩有效地提高了未加固地基的承载力。包裹碎石桩承受竖向荷载时，主要在桩身0.7 l(5.6 d)(l、d分别为桩长和桩径)深度范围内存在力的作用；在3 d深度的应力约为桩顶应力的40%，5.6 d深度的应力约为桩顶应力的20%，当外部压力大于85 kPa时，8 d深度(桩底端)存在应力。

[关键词]包裹碎石桩； 应力； 轴力； 端阻力； 侧摩阻力

0前言

随着我国经济建设的快速发展，高速公路、高速铁路等也得到了迅速发展，在工程建设中不可避免地遇到的软基处理问题，其中碎石桩由于其成本低，材料来源广，设计简单，操作灵活，适用范围广而得到了广泛应用[1，2]。然而，由于碎石桩为散体材料桩，对周围土体依赖性较强，当处理不排水抗剪强度小于20 kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基时，应在施工前通过现场试验确定其适用性[3]。为了增大碎石桩的刚度，提高其承载力，进而扩大其使用范围，工程上对其进行了各种改进，如土工材料包裹碎石桩法(简称包裹碎石桩)、水泥浆固碎石桩法和裙围碎石桩法等。其中包裹碎石桩保留了碎石桩法可以排水、造价低，工期短等优点，同时由于土工材料的包裹作用，桩体的刚度得到了有效的提高，碎石骨粒的用量得到了控制，因而其在工程中得到了广泛的应用。包裹碎石桩已在铁路、公路路基处理[4-6]，盐渍土地基的加固[7]，和围海造陆的围堰堤坝[8]等工程中得到了较好的应用。这些工程实例表明包裹碎石桩在提高地基承载力和满足沉降要求的同时，同时还具有造价低廉和节省工期等优点。

尽管包裹碎石桩在工程上得到了较为广泛的应用，但在设计和使用方面还存在一些问题，目前工程应用中主要依靠碎石桩施工设计经验进行指导。为了更好地推广应用和保证安全快速施工，国内外许多学者对包裹碎石桩进行了理论方面的研究，如赵明华和顾美湘等[9]通过模型试验分析了包裹碎石桩的承载变形特性。陈建峰[10]利用数值计算软件分析了包裹碎石桩在堆载和孔压消散过程中的荷载传递和变形特性。曹文贵和杨泽华[11]建立了柔性基础下包裹碎石桩复合地基沉降理论分析新方法。唐承铁和刘猛[12]探讨了加筋碎石桩复合地基的破坏模式。然而，目前对包裹碎石桩的受力机制的研究极少，对包裹碎石桩的受力进行分析，有助于了解桩体的承载力提高机理，更合理地进行设计施工。本文研究了包裹碎石桩的承载力，通过在桩体不同深度布置土压力盒，实测桩体的内力分布，研究桩端阻力特点、桩侧摩阻力的分布，探究桩体的应力传递机理。

1试验布置

桩长(l)为70 cm，桩径(d)为9 cm，长径比(l/d)约为8，承压板直径(D)为两倍桩径，为18 cm。模型内分为两层土，底层为泥岩，上部为河砂，桩体支承在泥岩上。泥岩和河砂的参数见表1。碎石桩骨料的选用参照相关规定[13]，采用自然级配，控制最大粒径为10 mm，碎石粒径在4～10 mm之间。土工材料的网孔尺寸为2 mm×2 mm，抗拉强度为7.0 kN/m。模型箱尺寸为130 cm(长)×130 cm(宽)×100 cm(高)，宽度为7.2倍承压板直径，保证试验不受边界效应的影响。采用杠杆系统进行加载。利用DH3816静态应变测试分析系统采集传感器的读数。使用百分表采集承压板顶面的位移；利用土压力盒监测桩身轴力，土压力盒使用前在试验介质中进行重新标定。传感器布置见图1。

表1 泥岩和河砂参数Table1 Parametersofsoils材料密度ρ/(kg·m-3)相对密实度/%含水率/%粘聚力/kPa内摩擦角/(°)河砂1780553 842泥岩2200-7.82610441

图1　传感器布置图Figure 1　Layout of sensors

2结果分析

2.1P-s曲线

图2为包裹碎石桩单桩复合地基和未加固地基的P-s曲线，其中P为应力，s为承压板顶面沉降。由图可发现承压板顶面产生相同沉降时，包裹碎石桩复合地基承受的应力远大于未加固地基；当沉降值为3 mm时，包裹碎石桩复合地基顶面承受的应力约为未加固地基的2.3倍。

图2　P-s曲线Figure 2　P-s curves

2.2桩身内力分布

为了解桩身内力的传递情况，利用桩体内布置的土压力盒，监测桩身应力，依此作轴力图如图3所示。由图可发现：桩身轴力由桩顶往下逐渐减小；桩身上半段内力(桩顶至桩顶以下3.3d深度范围内)随荷载的增加而迅速增大，桩身下半段内力随荷载的增大变化较小。轴力主要存在于桩体50 cm(5.6d)深度范围内。

进一步量化研究桩体内力传递情况，利用已监测的桩体内不同部位的应力值，将桩身其他位置的应力(Ph)除以桩顶的应力值(Pt)，得出桩顶承受压力后，传递至桩身其他部位的应力百分比，见图4。由图可发现：桩身其他部位的应力占桩顶应力的比值沿桩身往下逐渐减小，且减小的速度由快变缓。传递至桩顶以下0.4l处的应力约占桩顶应力的40%，0.7l深度(也即5.6d)处的应力约占桩顶应力的20%。当外部应力大于85 kPa时，桩体底部存在应力的作用，且传递至桩底的应力随外部的压力的增大而稍有增大。

图3　桩身轴力Figure 3　Axial force

图4　桩身荷载传递图Figure 4　The load transfer characteristics

桩顶应力由桩端阻力和桩侧摩阻力共同承担，对这两者的研究可以直观反映包裹碎石桩受力特点。由桩底端布设的土压力盒得到桩底应力，作桩底应力随位移的变化情况如图5所示。由图可发现：桩底应力随位移(s/D)的增大而增大，其中s为承压板顶部的沉降值，D为承压板直径。应力在位移较小时，桩底的应力变化不大，当位移在0.5%～1.5%时，桩底应力在2.5 kPa左右；当位移达到2%左右时，桩底的应力迅速增大。当位移达到3.5%左右时，桩底应力约为23 kPa，此时，桩底的应力约为桩顶应力的10%(见图4)，它占桩顶的应力的比重较小，桩顶其他部分的应力已扩散至周围土体中，由侧摩阻力承担了。现对侧摩阻力进行具体分析，如图6所示。由图可发现，桩侧摩擦力随着外部压力的增大而增大；桩体的上部摩擦力(0～5.6d)较大，下部(5.6～8d)的摩擦力较小。下部摩擦力较小与传递至下部的应力较小有关系。

图5　桩端应力-沉降曲线Figure 5　Pressure-settlement curve on the bottom

图6　桩侧摩阻力Figure 6　Skin friction

3结论

通过研究包裹碎石桩的承载力和沉降曲线、轴力分布、桩端阻力和侧摩阻力，分析了包裹碎石桩的受力特点，主要得到以下几点结论。

① 承压板顶面产生相同沉降时，包裹碎石桩复合地基承受的应力远大于未加固地基；当沉降值为3 mm时，包裹碎石桩复合地基顶面承受的应力约为未加固地基的2.3倍。

② 模型试验中，包裹碎石桩承受竖向荷载时，主要在桩身0.7l(5.6d)深度范围内产生力的作用。如传递至桩顶以下0.4l(3.2d)深度的应力约占桩顶应力的40%，0.7l深度(也即5.6d)深度的应力约占桩顶应力的20%。当外部应力大于85 kPa时，GEC在8d深度存在应力，且传递至桩底的应力随外部压力的增大而稍有增大。

③ 桩体上部(0～5.6d)的侧摩阻力较大，而底部的较小。底部侧摩阻力较小与传递至桩身下部(5.6～8d)的应力较小有关系。

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[13]JGJ 79—2002，建筑地基处理技术规范[S].

Studies on Geogrid Encased Stone Column of Bearing Capacity

QI Yunlong， REN Haibo

(Southwest Geotechnical & Design Institute of China Nuclear Industry， Chengdu， Sichuan 610031， China)

[Abstract]The Geogrid encased stone column is the type of encased a stone column with geogrid.In order to make further study on geogrid encased stone column，a laboratory model study is conducted.The P-s curves is based on the load on the bearing plate and the settlement on the bearing plate.The axial force is obtained by placing sensors in the pile body.From the axial force，the load transfer mechanism，the tip resistance and the skin friction are studied.From the experiment results，the geogrid encased stone column effectively improve the load performance of the soil.The geogrid encased stone column exists pressure mainly within 0.7l (5.6 d)depth during the loading.There is about 40% of the pressure on the pile top at a depth of three times pile diameter；And it is about 20% of the pressure on the pile top at a depth of 5.6 times pile diameter.What's more，it exists pressure at a depth of eight times diameter(pile bottom)when the pressure at plate top larger than 85 kPa.

[Key words]geogrid encased stone column； pressure； axial force； tip resistance； skin friction

[中图分类号]TU 473.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0198-04

[作者简介]齐云龙(1982-)，男，黑龙江望奎人，研究生，高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计及其地质灾害防治研究。

[收稿日期]2014-11-24