混凝土芯砂石桩复合地基固结解析解及性状分析

杨 燕 伟

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南 昆明 650200)



混凝土芯砂石桩复合地基固结解析解及性状分析

杨 燕 伟

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南 昆明 650200)

通过计算，得到了混凝土芯砂石桩复合地基固结计算的解析解，并根据解析解对复合地基的固结性状进行了分析，结果表明：砂石桩桩体长细比越大，地基固结速率越小；随芯桩直径增大固结速率先增大后减小。

复合地基，混凝土芯砂石桩，固结性状，解析解

1 概述

混凝土芯砂石桩(混凝土芯砂桩)复合地基是一种软土地基加固新技术[1-3]，其加固原理是芯桩和桩间土共同承担竖向路堤荷载；环形砂石桩加速桩间土固结，并提高芯桩侧摩阻力[4，5]。

图1和图2分别为混凝土芯砂石桩复合地基示意图及其桩体结构型式示意图，从图中可以看出，由于设置砂石桩其桩间土的固结非常突出。

目前已有的混凝土芯砂石桩复合地基固结解析解[4-6]还不够完善，未能反映桩土共同分担荷载且不能反映环形排水通道对复合地基固结性状的影响。

本文得到了考虑桩土共同作用和环形排水通道的复合地基固结方程和解析解；并对固结性状进行了分析。

2 固结计算模型

2.1 计算模型图

混凝土芯砂石桩复合地基固结计算简图如图3所示。H为混凝土芯砂石桩加固区厚度；Ec,Ew,Es分别为芯桩、砂石桩和土体的压缩模量；rc为芯桩半径;rw为砂石桩半径；rs为扰动区半径;re为影响区半径；σ为瞬时施加的荷载；kh,ks分别为桩间地基土未扰动区和扰动区的水平方向渗透系数；kw,kv分别为砂石桩和桩间地基土的竖向渗透系数。

2.2 假定

1)土体、砂石桩和芯桩等应变假定成立；2)忽略环形砂石桩水平方向渗流；3)桩间地基土体孔隙水的渗流符合达西定律；4)符合连续性假定，任意深度，从桩间土土体流入环形砂石桩的水量等于环形砂石桩中向上水流的增量。即：

(1)

2.3 固结偏微分方程

由荷载平衡条件和2.2假定可得：

(2)

(3)

令：

(4)

由式(2),式(3)可得：

(5)

(6)

土体的固结方程[6-8]：

(7)

(8)

相应的径向边界条件：

r=rs:us=un。

2.4 控制方程推导

参照文献[9][10]可以得到：

(9)

其中：

(10)

其中，A为一个正常数，表达式为：

(11)

(12)

其中,B，C均为常数，表达式如下：

(13)

如图3所示，假设底面不透水，顶面透水，则边界条件为：

(14)

根据参考文献[8]，初始时刻t=0时桩间土和混凝土芯砂石桩都未产生变形，εv=εz=0，则由式(3)推导可得：

(15)

代入式(2)得：

(16)

由式(4)可得：

(17)

2.5 方程解答

[6][9]的解法，设控制方程的解的形式为：

(18)

(19)

方程(19)的解为：

Ta(t)=A′e-βat

(20)

其中：

(21)

将式(18)代入式(10)可得：

(22)

将式(22)代入初始条件(17)可得：

(23)

(24)

由式(20),式(24)可得：

(25)

所以有：

(26)

将式(26)代入式(18)和式(22)可得复合地基中的超静孔压分别为：

(27)

3 固结计算

固结度表达式为：

(28)

由式(28)可以看出：当rc→0时，退化为卢萌盟散体材料桩解[9]。

4 复合地基固结性状分析

βat=ΓaTh

(29)

可得：

(30)

(31)

由图4得re,rw一定时，地基固结速率随芯桩直径rc增加，先增大后减小。

从图5中可以看出：长细比越大固结速度越慢。

从图6可以看出：陈俊生解未考虑芯桩荷载分担，而采用折减砂石桩面积考虑环形截面的影响，固结速率最慢；俞缙的解考虑了芯桩荷载分担又忽略了砂石桩的桩阻，固结速率最快；本文解同时考虑混凝土芯砂桩的桩阻和荷载分担，所以固结速度介于二者之间。

5 结语

1)文中解考虑环形排水通道和桩土荷载分担，与以往解析解相比更接近于实际工况。2)芯桩直径一定的情况下，砂石桩长细比越大固结速度越慢。

参考文献:

[1] 赵维炳,唐彤芝,蔡 新,等.加固深厚软基的新方法——混凝土芯砂石桩复合地基法[P].中国专利:CN20061003762 1.2.2006-10-03.

[2] 陈俊生,赵维炳,唐彤芝.混凝土芯砂石桩复合地基技术在处理桥头深厚软基中的应用[J].施工技术,2007，36(1):70-72.

[3] 程万钊,乐茂华,王富永,等.混凝土芯砂石桩复合地基加固堤防软基试验研究[J].水利学报,2007,38(sup):675-680.

[4] 陈俊生.混凝土芯砂石桩复合地基法加固深厚软基技术研究[D].南京：南京水利科学研究院博士学位论文,2007.

[5] 俞 缙,戚志博,蔡燕燕,等.低标号混凝土芯砂石桩复合地基固结计算方法[J].工程力学,2012(6):218-240.

[6] 张玉国.散体材料桩复合地基固结理论研究[D].杭州：浙江大学博士学位论文,2005.

[7] 王瑞春.竖井地基和散体材料桩复合地基固结解析研究[D].杭州：浙江大学博士论文,2001.

[8] 卢萌盟,谢康和,张玉国，等.考虑施工扰动和荷载效应的复合地基固结解[J].岩土工程学报,2008,30(4):549-554.

[9] 谢康和.复合地基固结理论研究现状与发展[J].地基处理,1993,4(3):1-4.

Analyticalsolutionandanalysisforconsolidationoftheconcrete-coredsand-gravelcolumnscompositefoundation

YangYanwei

(ChinaRailwaySiyuanGroupSouthewestSurveyandDesignGroupCo.,Ltd,Kunming650200,China)

Through calculation, the paper obtains the analytic solution of the concrete-cored sand-gravel pile composite foundation consolidation calculation. According the analytic solution, it analyzes the composite foundation consolidation behavior. Results show that: the greater of the sand-gravel pile length-slender ratio, the smaller of the foundation consolidation ratio; as the cored pile diameter increasing, the consolidation ratio will firstly increase and then reduce.

composite foundation, concrete-cored sand-gravel pile, consolidation behavior, analytic solution

1009-6825(2017)12-0056-03

2017-02-18

杨燕伟(1981- )，男，博士，工程师

TU473

A