长板-短桩处理深厚软土地基及沉降计算

摘要:文中介绍的长板-短桩方法是长的塑料排水板(或砂井)与短的水泥土搅拌桩联合处理,发挥了预压排水固结法和水泥搅拌桩法的优点,在案例中取得了良好的效益,值得推广。文章还详述了此法的沉降计算,具有一定的参考价值。

关键词:地基处理;长板-短桩;软土地基;沉降计算

中图分类号:U416文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)21-0176-03

我国幅员广阔,各种地形地貌广泛,地质条件复杂。特别是在部分经济发达的软土地基,如长三角、珠三角等地区修建公路,结构物荷载日益增大,变形的要求也越来越严。地基的加固处理是目前软土地区公路或高速公路建设中亟待解决的难点之一,尤其是在深厚软土地区。地基处理是利用换填、压密、挤密、胶结、加筋和热化学等方法对地基进行加固,用以改良地基土的工程特性。

我国现有的地基处理方法很多,可以选择换填、强夯、预压排水固结、碎石桩、水泥土搅拌桩、CFG桩等不同的工法对原地基进行处理。对于同一种软弱地基可以采用的方法常常有数种之多。每种地基处理方法都有一定的适用范围、局限性和优缺点。由于工程地质和水文条件千变万化,各地的施工机械、技术水平、建材品种及价格差异很大,在选用地基处理方法时要因地制宜。通常对于某工程,在技术上可行的地基处理方案有几个,合理的地基处理方法原则上一定是技术上可靠、经济上合理的,能满足施工进度的需要。地基处理时可以采用一种方法,也可以采用由两种或两种以上的处理方法组成的联合处理方案。常见的联合法有砂垫层与固结排水法并用,填土预压法与反压护道法并用等其他联合法。长板-短桩法就是这样一种联合处理方法:长的塑料排水板(或砂井)与短的水泥土搅拌桩联合(简称长板-短桩工法)。

1长板-短桩工法简介

长板-短桩工法的提出是为了发挥预压排水固结法和水泥土搅拌桩法的自身优点。预压排水固结法,可以使软土的固结沉降速率快,工后沉降小,可提高地基土的承载力,造价低,但是施工期和预压期长,施工扰动增加软土地基的总沉降量。水泥土搅拌桩法,可以有效提高地基的承载力,减少地基的总沉降量,缩短或不需要地基处理施工完成后的预压期,但是造价偏高,深部施工质量不易保证。而长的塑料排水板与短的水泥土搅拌桩联合处理方法与单独预压排水法相比,由于“短桩”的存在,可以有效地提高地基的稳定性,加快路堤施工速率,从而相应缩短建设周期;与单独深层搅拌桩相比,由于“长板”的存在,可以加快深部软土的固结沉降,从而将工后沉降控制在一定的范围内。

长板-短桩工法处理软基时,在地基剖面上可划分为:深层搅拌桩复合地基层(简称复合层),预压排水固结层(简称固结层),未加固处理的原状软土层(简称未加固层),如图1所示。在设计中,长板与短桩在平面上可以等间距也可以不等间距布置,长板穿过短桩复合层插入深部软土,可以穿透软土层(较薄时),也可以不穿透软土层(较厚时),具体依据实际工况,按照地基压缩层厚度确定。长板-短桩工法已被成功应用于实际当中,淮盐高速公路等建设中广泛使用此法进行地基处理和加固,取得了良好的工程效益、经济效益。图2是某高速公路地基处理中的长板-短桩布置示意图。

2长板―短桩工法机理

在排水固结法、水泥土搅拌法和复合地基理论基础上,结合长板-短桩工法处理软土地基的特点,其加固地基和控制沉降的机理在相关研究文献中均有详细的解说,在此不便赘述。本节主要对工作中接触较多且实用性较强的沉降部分进行介绍。

沉降问题一直是工程界关注的焦点,多样的地形、地基处理方法及荷载方式等的不同,产生出了诸多研究领域及成果,可供相关人士学习与参考。对于长板-短桩法,因其工法简单、原理明朗,沉降问题的分析在已有的基础理论上展开即可。

2.1地基的沉降量

长板一短桩工法处理后的地基任一时刻的沉降量都是复合层、固结层和未加固层沉降量之和,而每一层的最终沉降量都包括荷载施加后的瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降(暂不考虑次固结沉降)。

2.1.1瞬时沉降量sd长板一短柱工法处理后地基的瞬时沉降sd可用如下(1)中的弹性理论公式估算:

(1)

式中:μ――土的泊松比;

p――均布荷载;

b――荷载的分布宽度;

ω――沉降影响系数,应按柔性矩形分布荷载(1/b≥100)取值;

――地基的弹性模量,计算中可用容易获取的变形模量E0代替。

将软土层看作均质地基,则由于短桩的存在,复合层的模量与固结层和未加固层的模量将具有明显的不同,因此在计算地基的瞬时沉降时不应将整个地基的弹性模量视为常数。作为简化处理,可认为固结层和未加固层地基的模量相等,而复合层的模量应取水泥土搅拌桩和桩间土的复合模量。

单独的瞬时沉降量计算还可以有种简便方法,需要结合固结沉降量的计算,将在下面章节中讲述。

2.1.2固结沉降量sc地基土的固结沉降的计算方法多采用分层总和法:

(2)

式中:e0i――第i层土中点处土自重应力所对应的孔隙比;

e1i――第i层土中点处土自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比;

Δhi――第i层土的分层厚度;

n――沉降计算深度范围内分层总数。

对于复合层,当面积置换率比较高(布桩较密)时,根据实践经验可以不计算其固结沉降量;反之,应计算桩间土的固结沉降量。

此计算法简单易操作,参数获取途径常见,有相应地层深度范围内固结压缩试验的e-p曲线即可。

2.1.3最终沉降量长板-短桩工法处理后的软土地基的最终沉降量应为瞬时沉降、固结沉降之和(不考虑次固结沉降),最终沉降量s∞ 表示为:

s∞ =sd+sc (3)

或者按照经验公式估算地基的最终沉降量:

s∞ =αsc (4)

式中α为考虑地基侧向变形对沉降影响的计算经验修正系数,对正常固结和轻度超固结黏性土地基可采用1.1～1.4,荷载较大、地基土较软弱时取较大值,否则取较小值。

为了方便计算出单独的瞬时沉降量,可将上式(4)改写成:

s∞ =αsc=(α-1)sc+sc=sd′+sc (5)

则简便法计算的瞬时沉降量sd′可表示为:sd′=(α-1)sc。

由此可知,实际中地基的最终沉降量多用经验公式(4)计算。

2.1.4工后沉降量软土地区的最终沉降变形量s∞一般是在建筑物竣工使用后多年才有可能达到的值,而在施工结束或预压结束时刻的沉降量才是当时可知的实际沉降量st,通过理论计算或是现场监测都可获得比较理想的沉降值。

计算中可用下面的公式(6)估算:

st=sd+Utsc (6)

式中:Ut――t时刻地基的平均固结度,可按固结层与未加固层固结度的厚度加权平均取值。

假定预压荷载是一次瞬时施加的,地基的沉降随时间而不断发展,某一时刻地基的沉降量,即可按上式计算。以预压结束的时刻t作为计算点,得到的固结沉降st即为施工期的沉降,工后沉降sg则可表示为:

sg=s∞- st =s∞-(sd+Utsc) (7)

计算所得的工后沉降sg值与相应的规范容许值进行比较,沉降值满足要求的话,则说明长板-短桩系统及预压系统的设计可行,若不满足要求,则要进行方案的变更,再对沉降问题进行验算,直到满足要求为止。

3结语

地基处理中,全方位、多角度、系统化治理软基问题将是高等级公路软基处理的发展趋势。长板-短桩工法处理深厚高速公路软土地基的方案,上部采用短桩复合地基可有效提高地基的早期稳定性,加快填筑速率,缩短建设周期;而设计的竖向排水体,将有效地缩短排水途径,加快固结,提高沉降速率,可以更好地使工后沉降等变形问题得以解决。此法施工工艺简单容易操作,相关计算方法简便且有理论依据,在已有的项目中,产生了良好的效益,适合在实际工程中推广。

参考文献

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[7] 闫明礼,等.CFG桩复合地基技术及工程实践(第二版)[M].中国水利水电出版社,2006.

作者简介:俞海强(1972-),男,浙江省三门县公路管理段助理工程师,研究方向:路基路面。