雙向增強體復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分析

1、第35卷第7期華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)()Vol.35No.7July2007雙向增強體復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分析鄭俊杰陳保國SariW.Abusharar王仙芝(華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖北武漢430074)摘要:分析了雙向增強體復(fù)合地基中筋材2樁2樁間土協(xié)同作用機理,利用圓弧線模擬筋材的撓曲變形,假設(shè)樁間土為理想彈塑性體,通過對筋材、樁體和樁間土進行力學(xué)分析,推導(dǎo)出了雙向增強體復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的一種解析解和筋材撓曲變形的計算公式.結(jié)合算例和現(xiàn)場試驗結(jié)果分析了樁土應(yīng)力比和筋材撓曲變形的影響因素及其變化規(guī)律,算例分析結(jié)果說明該計算方法是合理的,可為工程實際提供理論參考.關(guān)鍵詞:雙向

2、增強體;加筋土單元;撓曲變形;樁土應(yīng)力比;路堤荷載中圖分類號:TU411.3文獻標識碼:A文章編號:167124512(2007)0720110204Pile2soilstressratiooftwo2directedZhengJunjieChenBaoguoSariAanzhi(CollegeofCivilEngineeringUniversityofScience,China)Abstract:Studiedheofdirectedreinforcement(TDR)compositefoundationwhichisaninteractiveofthegeosynthetics(geot

3、extile,geomembrane,geonet,geogridetc),pileandsoil.Theformulasforcalculatingthegeosyntheticdeformationandthepile2soilstressratioareproposedbasedonthearc2curvemodel,theequilibriumforceofgeosynthetic2pile2soilandhy2pothesisofelasto2plasticmodelofsoilaroundpiles.Thefactorsaffectgeosyntheticdeformationan

4、dpile2soilstressratiowasanalyzedsystemically,basedonseveralnumericalexamplesandfieldtestingresult.Resultsofshowthattheformulasproposedarefeasibleandreasonable,givingreferencetode2signingTDRcompositefoundation.Keywords:two2directedreinforcement;geosyntheticelement;geosyntheticdeformation;pile2soilstr

5、essratio;embankmentloads雙向增強體復(fù)合地基具有水平向增強體復(fù)合地基和豎向增強體復(fù)合地基的雙重優(yōu)勢,能夠很好地控制沉降,擴散應(yīng)力,防止不均勻沉降,提高地基承載力,縮短施工工期1,2.但是,雙向增強體復(fù)合地基的理論研究遠遠落后于工程實踐,筋材2樁2樁間土的作用機理非常復(fù)雜,文獻36作了一些研究,但仍有不足之處.本文利用圓弧線模擬筋材的撓曲變形,假設(shè)樁間土為理想彈塑性體,通過分析筋材2樁2樁間土的靜力平衡和筋材的受力機理,推導(dǎo)了筋材撓收稿日期:2006204212.曲變形的計算公式,從而進一步推出了樁土應(yīng)力比的解析解,計算結(jié)果與文獻4現(xiàn)場實測結(jié)果相符合.1樁土應(yīng)力比及筋材撓曲

6、變形分析1.1筋材撓曲變形分析設(shè)路堤無限長,取四根樁支撐的一個土柱作用下的筋材單元來進行分析.筋材在上覆土柱體作用下產(chǎn)生向下的凹陷,同時筋材單元產(chǎn)生界面作者簡介:鄭俊杰(19672),男,教授;武漢,華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院(430074).E2mail:zhengjj基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50478090).第7期鄭俊杰等:雙向增強體復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分析111摩阻力和內(nèi)部張力T.設(shè)樁按正方形布置,樁徑為d,樁間距為sd.將加筋土單元的自重和其上部土柱的自重之和記為作用在筋材上的荷載(此處近似考慮加筋單元的質(zhì)量),路堤上的荷載折算成相同自重的土柱體,折算后土柱體的總高度為

7、H.考慮樁間土反作用力,假設(shè)筋材的變形曲線為圖2樁間部分的筋材受力圖圓弧(如圖1所示).圖3樁頂上部筋材受力圖2)(1-m)-8Tm,(8)m)/Hsd(1+4圖1筋材撓曲變形示意圖和T均為s的函數(shù),s為筋材單元應(yīng)變式中:的函數(shù).由式(1),(5)和()可得)(1+42).T=(H-s)(1-/(8對樁間部分的筋材進行分析,設(shè)最大撓度為s,應(yīng)變?yōu)?筋材在荷載作用下變形后的長度為lc,令=s/(sd-d),由幾何關(guān)系可得=42);()sin/(1+4)(1+().lc=(sd-d)/(2(2)(9),樁間土在深度l處為kcl.當kcs,自重應(yīng)力為s0.2l時,將該深度范圍內(nèi)土體的壓縮變形量近由式

8、(2)=(1+42)/(2)arctan(2)-1.)=2,則有一般情況下值很小,可取arctan(2=4s2/(sd-d)2.(3)1.2加筋單元的力學(xué)分析及樁土應(yīng)力比似地取為s,如果在深度l以下還存在高壓縮性土,應(yīng)該取kc0.1l.當樁間土處于彈性狀態(tài)s時,則可通過ns=i=1hi2Esi(10)估算,式中:kci為第i層土底面處的附加應(yīng)力系22222數(shù),kc0=1,kci=2s2dzi(sd+zi)/(sd+zi)22s2d+zi+arctansd/(zi);Esis2d+zi)/(2取筋材單元為研究對象,設(shè)樁頂應(yīng)力平均值為p,樁間土表面受到的壓應(yīng)力的平均值為s,對所取單元體由靜力平衡可

9、得H=m(4)p+(1-m)s,式中m為復(fù)合地基面積置換率.在樁間土上部土柱體作用下,筋材單元產(chǎn)生豎向位移,忽略上部土柱體之間的相互作用,可以近似取作用在筋材單元上的應(yīng)力為H,即(5)H.sz=pz=分別對樁頂和樁間土上部的筋材受力分析(如圖2和圖3所示).由樁間部分的筋材靜力平衡得,(6)szAs=sAs+2Tsin式中:s為樁間土表面受到的壓應(yīng)力;As為樁間土的面積.由樁頂部分的筋材靜力平衡得=(7)pzAp+2TsinpAp,式中Ap為樁的截面面積.由式(1),(4)(7)得Hs22)m+8T(1-n=p/s=d(1+4為第i層土的壓縮模量;hi為第i層土的厚度;n為l深度范圍內(nèi)的土層數(shù)

10、.由式(10)可求得ns=i=1.2Esi(11)由式(9)和(11)得2)/(8)(H-T=(1+4s)(1-m)sd.(12)考慮到實際工程情況,筋材摩阻力近似為(H+(13),max=s)tan為極限摩阻力發(fā)揮系數(shù);式中:為填土與筋材的摩擦角.樁間部分的筋材單元的伸長量(s-d)/2dlc=2dx,EA積分得lc=,(14)4EA112華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第35卷式中:A為筋材單元橫截面面積;E為筋材的拉伸模量,E=Eg(sd-d)/,Eg為筋材的抗拉強度,為筋材厚度.樁問部分的筋材應(yīng)變?yōu)?lc/(sd-d),(15)由式(3),(11)(15)得22)(H-(H+(1+4s)

11、(1-m)sd-2(sd-d)sdtan-32EA=0,曲變形的主要因素是填土荷載的總高度、樁的距表2不同的折算荷載高度下的樁土應(yīng)力比與筋材撓曲變形H/ms/cm0.470.821.251.712.152.703.20nH/ms/cm3.346.0012.7020.1025.3029.50n1.01.52.02.53.03.54.01.011.231.271.301.381.481.734.14.24.55.05.56.01.842.023.556.098.6411.19(16)由式(16)即可求得s,將s代入式(12)可求出T,再由式(11)求解s.當求得s<fsk時,聯(lián)立式(8)和(

12、12)求解樁土應(yīng)力比;當求得的sfsk時,樁間土達到塑性狀態(tài),取s=fsk,由式(9),(13)(15)得2)(H-fsk)(1-m)s2(H+(1+4d-2fsk)(sd-d)sdtan-32EA=0,(17)式中fsk為天然地基承載力特征值.由式(17)求解s,再將s=fsk代入式(4),得H-(1-m)fsk/m,p=則樁土應(yīng)力比n=H-(1-m)fsksk4樁、土分擔的載荷比Ns,Np與填土高度H關(guān)系曲線表3不同樁間距下的樁土應(yīng)力比與撓度2算例壓實后路堤填土重度=20kN/m,=25°,筋材的抗拉強度Eg=120kN/m,按正方形布樁,樁徑d=0.5m,樁間距sd=4d,樁間

13、土的壓縮模量為Es=5MPa,fsk=80kPa,取=0.8.上述計算過程通過Matlab軟件編寫程序來實現(xiàn).文中解析解結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果4對比見Sdm/%2d2.01.33d2.71.64d4.93.21.75d3.13.62.06d2.24.12.17d1.64.52.38d1.24.92.519.68.7s/cmn表1.表1樁土應(yīng)力比理論解與現(xiàn)場試驗結(jié)果對比H/mn理論n試驗2.01.31.62.51.31.83.01.41.93.51.52.04.01.72.84.53.64.45.06.15.53應(yīng)力比及筋材變形與各參數(shù)關(guān)系樁土應(yīng)力比及筋材撓度隨路堤荷載的變化規(guī)律見表2,樁和樁間土荷

14、載分擔比隨路堤荷載的變化規(guī)律如圖4所示(參數(shù)按照上述算例取值,sd=4d).樁土應(yīng)力比、筋材撓度隨樁的距徑比的變化規(guī)律見表3(取H=4m).當其他參數(shù)不變時,樁土應(yīng)力比隨筋材抗拉強度的變化規(guī)律如圖5所示.筋材中所受的最大拉力T與筋材抗拉強度和樁的距徑比關(guān)系如圖6和圖7所示.由計算分析可知,影響樁土應(yīng)力比和筋材撓圖5樁土應(yīng)力比n與筋材抗拉強度Eg的關(guān)系曲線圖6筋材所受拉力T與樁間距Sd/d的關(guān)系曲線第7期鄭俊杰等:雙向增強體復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分析113為1.932.32.筋材的最大拉力隨著樁距徑比和筋材抗拉強度的增大而增大.筋材抗拉強度增大時,筋材的剛度增大,筋材的撓曲變形減小,筋材將荷載傳遞到

15、樁頂,樁土應(yīng)力比增加,其極限狀態(tài)就是剛性承臺,此時樁體承擔絕大部分荷載.文中水平向增強體采用抗彎剛度較小的土工合成材料,因而筋材剛度對樁土應(yīng)力比的影響較小,此外,推導(dǎo)過程中作了相應(yīng)的簡化,可能會影響計算結(jié)果的精度,如何通過工程實踐對計算結(jié)果進行修正需要進一步研究.參考文獻圖7筋材所受拉力T與抗拉強度Eg的關(guān)系曲線徑比、樁間土的性質(zhì)以及筋材的抗拉強度等.在給定的參數(shù)下,當填土荷載總高度達到4.2m時,樁間土屈服,進入塑性狀態(tài)后筋材撓度和樁土應(yīng)力比迅速增大.當樁間土在彈性狀態(tài)時,筋材的撓曲變形變化范圍為0.473.34cm,樁土應(yīng)力比增幅較小,變化范圍為1.02.0,與文獻4現(xiàn)場試驗(樁間距為3d

16、,樁土應(yīng)力比變化范圍為1.02.8)測得結(jié)果符合較好.由表2和圖4可知,樁間土在彈性階段時,部分荷載由樁間土承擔,載分擔比緩慢減少,樁勢;,荷載迅速向樁體轉(zhuǎn)移,樁土應(yīng)力比明顯增加.由表3可知,樁土應(yīng)力比和筋材的撓度隨著樁間距的增加而增大,隨著面積置換率的增大而減小.填土高度為4m,樁間距從2d8d變化時,樁土應(yīng)力比變化范圍為1.32.5,筋材的撓度變化范圍為2.04.9cm.由圖57可知,當荷載一定時,樁土應(yīng)力比隨著筋材1LinKQ,WangIH.UseofdeepcementmixingtoreducesettlementsatbridgeapproachesJ.JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentEngineering,1999,125(4):3092320.2HanJAsce,etal.Numericalanaly2andpile2supportedearthsoilJ.JournalofGeotechnicalEngineering,2002,128(1):44253.3李海芳,溫曉貴,龔曉南.路堤荷載下剛性樁復(fù)合地基的現(xiàn)場試驗研究J.巖土工程學(xué)報,2004,26(3):4192421.4劉吉福.路堤下復(fù)合地基樁、土應(yīng)力比分析J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(4)