考虑桩-土共同作用的PHC...应力管桩复合地基承载力研究_杨毅.pdf
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1、公路 年月第期 收稿日期:文章编号:()中图分类号:文献标识码:考虑桩土共同作用的 预应力管桩复合地基承载力研究杨毅,凌松耀,石长洪(中交二公局第六公路工程有限公司西安市 )摘要:预应力管桩复合地基是一种新型的地基加固方法,其与传统方法的主要区别在于桩与桩间土共同直接承担全部的上部荷载。以荣乌高速公路 预应力管桩基础为例,分别对管桩单桩承载力及桩体复合地基承载力进行研究,对比后得出以下结论:预应力管桩复合地基的承载力远远高于单桩的承载力,计算所得桩体复合地基承载力是单桩承载力的 倍左右;预应力管桩单桩的桩顶位移最大值出现在桩体达到抗压极限承载力时,卸载完成后桩体出现的破坏变形使桩顶及桩底位置无
2、法恢复到加载之前的位置;预应力管桩复合地基的总沉降量为桩体复合地基加固区的沉降量和下卧层的沉降量之和,可采用分层总和法对上述两种沉降量进行计算。关键词:预应力管桩;桩土共同作用;复合地基;承载力;沉降分析桥梁施工过程中,当天然地基的承载力不能满足上部桥梁结构对地基承载力的要求时,需要设置合适的基础形式以满足上部荷载的要求,同时,也可以对地基进行相应的地基处理,使其形成新的人工基础或地基,以保障上部桥梁结构的安全使用。复合地基是指天然地基在经过人工处理加固后,由土体和人工增强体共同承担上部荷载的地基。当桥梁工程施工过程中遇到软弱土层时,可以使用 预应力管桩 对地基进行处理,以满足上部荷载对基础的
3、要求。本文以荣乌高速公路桥梁下部的 预应力管桩基础为例,研究复合地基内部的桩土作用机理,同时对 管桩及桩体复合地基竖向受力特性进行研究,并对 管桩单桩及 管桩复合地基的沉降进行分析。工程概况荣乌高速公路新线项目位于高碑店市,白沟新城区内,是京台高速公路至京港澳高速公路段第 标段,全线路线总长 。全线共计桥梁 座,其 中座 桥 梁 为 装 配 式 桥 梁,其 桩 基 为 预应力管桩,总计 根,累计桩长为 。预应力管桩具体的位置分布见图。单位:图 预应力管桩布置项目位于冲击平原,地形平坦,地势开阔,局部略有 起 伏,地 面 高 程 ,相 对 高 差 。地势由西北向东南缓倾。该区域内地质灾害结构性构
4、造不明显,但是仍然存在一定的灾害隐患,例如:砂土液化、地面沉降、地层断裂等。地表大多为耕地、村庄,地形起伏较小;下部地层大部分区域为黏土层、粉质黏土层,个别地层有少量的粉细 年第期杨毅等:考虑桩土共同作用的 预应力管桩复合地基承载力研究砂层存在。项目管段内的河流均处于常年无水的状态,管段内的地下水主要是潜水,且赋存于第四系松散堆积层中,承压水也少量分布在局部区域,且水分主要富存于砂土层中。桩土共同作用机理复合地基是由两种以上性质不同的材料复合而成的地基,地基处理就是对天然地基进行改良,天然地基土的部分土体强度因土体中增加了加筋材料而得到了增强或是直接被其他强度高的材料替换。上部竖向荷载由改良后
5、的地基土和新加的增强体共同承担。桩体复合地基可以理解为在地基内部设置了竖向增强体,预应力管桩复合地基主要是因其在地基内增加了强度较高的钢筋混凝土材料,因此,可以将其归纳为刚性桩复合地基范畴,其基本特点有:()地基的加固区是由非均质、各向异性的基体和增强体两部分共同组成;()全部的上部荷载均由桩体复合地基中的基体和增强体共同直接承担。桩体复合地基荷载传递情况见图,由图可知,当桩体复合地基在受到上部荷载后,一部分上部荷载是直接由基础传递给地基下部的周围土体;另一部分上部荷载则是先传递到桩体上,再通过桩体传递给桩周土体。桩体复合地基的荷载传递过程分析如下:桩和桩间土在上部荷载的作用下,共同直接承担上
6、部的全部荷载。桩基础与桩体复合地基的荷载传递原理有很大不同,桩基础的上部荷载主要是通过上部的基础先传递给桩体,桩体在受到了上部荷载作用后,先是产生了一定的位移,并同步在桩侧产生桩侧摩阻力或是在桩端产生桩端承载力,再通过上述两种力分别将上部荷载传递给地基土体,图为荷载传递示意图。图桩体复合地基受力分析图桩基础受力分析 预应力管桩复合地基的形成条件:()上部结构荷载作用下,基础下部桩体的沉降量与桩周围土体的沉降量相等;()若桩基础下部设置合适的柔性垫层,则桩体变形与桩间土变形的最大差值应始终小于柔性垫层对其差异变形的协调能力;()当桩基穿透最软弱土层,进入相对好的土层时,最软弱土层的压缩模量应大于
7、桩体上部穿越过的任何土层的压缩模量。满足以上个形成条件中的其中一种情况,就可以形成桩体复合地基。桩体复合地基承载力复合桩基与桩基础受力特性差异较大,因此,将 预应力管桩作为桩体复合地基进行承载力计算,与将其作为单桩基础计算时的承载力值会有较大区别。下面以荣乌高速公路项目的根试桩为研究对象,讨论其作为单桩时的承载力与其作为 预应力管桩复合地基时的承载力差异。根测桩的基本参数条件如下:()直径 ;()桩长;()桩端进入粉质黏土层,该土层可以视作桩基的持力层。单桩抗压极限承载力可以通过计算得到,具体的计算见式():()式中:为桩的极限抗压承载力;为桩上段桩的极限加载值;为桩下段桩的极限加载值;为桩荷
8、载箱上部桩体的全部自重之和;为桩的修正系数,其值的大小由上部土体的类型决定,对于黏性土、粉土地层其值可以取 ,砂土地层其值取 ,岩石地层其值取,当地基土体由不同类型的土组成时,取其加权平均值。根据式(),同时结合现场试桩的实测数据进行计算,得到单桩抗压极限承载力值见表。桩体的承载力和桩周土体的承载力之和可以视为桩体复合地基的承载力。桩体复合地基在上部荷载过大时会发生破坏,这种破坏大多数的情况是复表单桩承载力值桩号极限加载值 上下扣除重量 修正系数抗压极限承载力 号 号 合地基中的桩体首先发生破坏,随后桩周土体发生破坏,破坏时桩周土体承载力发挥程度不能直接确定,需要通过进一步计算得到,桩体复合地
9、基承载力计算过程的复杂程度要远远高于单桩承载力的计算过程。对桩体复合地基进行承载力计算时,首先要先分别确定桩体承载力的大小、桩间土承载力的大小,然后再结合一定的经验参数对这两部分的承载力进行合理的折减、叠加,进而得到桩体复合地基的承载力,具体的计算见式():()()式中:为复合地基极限承载力;为单桩极限承载力;为天然地基极限承载力;为修正系数,用于修正单桩承载力;为修正系数,用于修正桩间土承载力;为发挥度系数,用于表示当地基发生破坏时,桩体强度发挥充分与否;为发挥度系数,用于表示当地基发生破坏时,桩周围的土体强度发挥充分与否;为复合地基置换率。结合实际工程对式()中的相关参数进行合理取值,并对
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