一種考慮邊載效應(yīng)的公路剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮邊載效應(yīng)的公路剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法，包括以下步驟：首先，以太沙基深基礎(chǔ)承載力公式為基礎(chǔ)，引入邊載作用概念，根據(jù)靜力平衡，推導(dǎo)考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力fs；其次，根據(jù)靜力平衡，計(jì)算基礎(chǔ)底部附加應(yīng)力p0；最后，根據(jù)公式計(jì)算地基沉降S。本發(fā)明方法采用的太沙基深基礎(chǔ)理論假定更為貼近實(shí)際，考慮了基礎(chǔ)周圍土體對(duì)沉降的作用，能夠有效解決高速公路軟基加固工程中地基沉降計(jì)算方法與實(shí)測沉降誤差大的問題。
【專利說明】
一種考慮邊載效應(yīng)的公路剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及剛性粧復(fù)合地基，特別涉及一種考慮邊載效應(yīng)的公路剛性粧復(fù)合地基 沉降計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 剛性粧復(fù)合地基目前已在高速公路軟基加固工程中得到了廣泛應(yīng)用。剛性粧復(fù)合 地基在軟基加固工程中的主要作用為減小路基沉降，達(dá)到高度公路的沉降要求。若粧長較 小或粧間距較大，會(huì)造成加固后路基沉降較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;若粧長較大或粧間距較 小，會(huì)造成設(shè)計(jì)的極大浪費(fèi)。所以剛性粧復(fù)合地基的沉降計(jì)算和預(yù)測極為重要。剛性粧復(fù)合 地基沉降主要由下臥層沉降構(gòu)成，可運(yùn)用分層總和法求解，計(jì)算的難點(diǎn)為粧底下臥層附加 應(yīng)力的確定，可由外荷載減去側(cè)摩阻力確定。目前側(cè)摩阻力的確定主要根據(jù)工程地質(zhì)勘察 報(bào)告中計(jì)算得出的側(cè)摩阻力QS，并按照沿復(fù)合地基周邊均勻分布來進(jìn)行計(jì)算，但側(cè)摩阻力 的分布是較為復(fù)雜的，目前計(jì)算方法不能反映出側(cè)摩阻力的特性，造成工程中計(jì)算沉降存 在較大誤差，于是迫切需要一種能夠貼合實(shí)際情況且準(zhǔn)確簡便的側(cè)摩阻力計(jì)算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種適用于寬度較小而粧長較大的 剛性粧復(fù)合地基上的基礎(chǔ)沉降預(yù)測的考慮邊載效應(yīng)的公路剛性粧復(fù)合地基沉降計(jì)算方法。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種考慮邊載效應(yīng)的公路剛性粧復(fù)合地基沉 降計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0005] (1)以太沙基深基礎(chǔ)承載力公式為基礎(chǔ)，引入邊載作用概念，根據(jù)靜力平衡，推導(dǎo) 考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力f s，計(jì)算公式如下：
[0006] fs = k2fs〇
[0007] 式中：/c2 = 4.043D - 0.4SSZ + 0·214φ + 4.09,為土側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)；fs?為不考 慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力;供為土體內(nèi)摩擦角；1為粧長;D為粧間距。
[0008] (2)根據(jù)靜力平衡，計(jì)算基礎(chǔ)底部附加應(yīng)力PQ，計(jì)算公式如下：
[0009] p〇Ai = pAi-fsA2
[0010] 式中：fs為步驟（1)中計(jì)算得到的考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力;p為外載荷;&為外載 荷和附加應(yīng)力的作用面積;A 2為側(cè)摩阻力的作用面積。
[0011] (3)計(jì)算地基沉降S，計(jì)算公式如下：
[0012]
[0013] 式中：pq為步驟(2)中計(jì)算得到的附加應(yīng)力;出為第i分層土的厚度;Esi為第i分層 土的壓縮模量。
[0014] 步驟（1)中所述的土側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)1?由結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)土體內(nèi)摩擦角 識(shí)、粧長1及粧間距D進(jìn)行線性回歸分析計(jì)算而得。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明方法采用的太沙基深基礎(chǔ)理論假定更為貼近實(shí)際， 考慮了基礎(chǔ)周圍土體對(duì)沉降的作用，能夠有效解決高速公路軟基加固工程中地基沉降計(jì)算 方法與實(shí)測沉降誤差大的問題。
【附圖說明】
[0016] 圖1:本發(fā)明基礎(chǔ)理論-太沙基深基礎(chǔ)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0018] 太沙基深基礎(chǔ)理論考慮了由于地基土的內(nèi)聚力、土的容重以及覆土壓力的影響， 用三個(gè)作為土體內(nèi)摩擦角函數(shù)的承載力系數(shù)表達(dá)了極限承載力。太沙基認(rèn)為當(dāng)深基礎(chǔ)在荷 載作用下達(dá)到破壞時(shí)，在基地平面以下產(chǎn)生連續(xù)的滑動(dòng)面，在形成此滑動(dòng)面的過程中，由于 ad環(huán)形區(qū)域下的土直接受到基礎(chǔ)下的土所給予的側(cè)向擠壓，使這塊土體有向上移動(dòng)并驅(qū)使 環(huán)形面積ad以上的土體也產(chǎn)生向上的相對(duì)移動(dòng)，從而在環(huán)形面積以上土體的邊界de和基墩 側(cè)面與土之間分別產(chǎn)生了向下的剪阻力τ和摩阻力f s，如附圖1所示。
[0019] 根據(jù)太沙基深基礎(chǔ)的理論，邊載土體會(huì)阻止aa平面向下位移，說明邊載對(duì)沉降具 有抵抗作用，故在計(jì)算基礎(chǔ)沉降時(shí)應(yīng)考慮邊載作用。本發(fā)明結(jié)合天津軟土地區(qū)多條高速公 路軟基加固工程，以太沙基深基礎(chǔ)理論為理論依據(jù)，推導(dǎo)了考慮了邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力計(jì) 算方法，從而形成了能夠指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工沉降控制的高速公路剛性粧復(fù)合地基的沉降 計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0020] (1)以太沙基深基礎(chǔ)承載力公式為基礎(chǔ)，引入邊載作用概念，根據(jù)靜力平衡，推導(dǎo) 考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力f S，計(jì)算公式如下：
[0021] fs = k2fs〇
[0022] 式中：/c2 = 4.043/) - 0.45SZ + 0·214φ + 4.09,為土側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)；fs〇為不考 慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力(kPa);識(shí)為土體內(nèi)摩擦角；1為粧長(m) ;D為粧間距(m)。
[0023] (2)根據(jù)靜力平衡，計(jì)算基礎(chǔ)底部附加應(yīng)力po,計(jì)算公式如下：
[0024] p〇Ai = pAi-fsA2
[0025] 式中：fs為步驟（2)中計(jì)算得到的考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力（kPa);p為外載荷 (kPahAi為外載荷和附加應(yīng)力的作用面積〇11 2);知為側(cè)摩阻力的作用面積(m2)。
[0026] (3)計(jì)算地基沉降S，計(jì)算公式如下：
[0027]
[0028]式中：Hi為第i分層土的厚度(m) ;Esi為第i分層土的壓縮模量(MPa)。
[0029] 本發(fā)明考慮邊載效應(yīng)的公路剛性粧復(fù)合地基沉降計(jì)算方法具體推導(dǎo)如下：
[0030] 本發(fā)明理論基礎(chǔ)為太沙基深基礎(chǔ)承載力公式，主要思路為認(rèn)為邊載對(duì)側(cè)摩阻力有 貢獻(xiàn):當(dāng)基礎(chǔ)向下發(fā)生位移時(shí)，粧兩側(cè)土體adef受到基礎(chǔ)的擠壓作用會(huì)產(chǎn)生向上位移，而粧 體界面af會(huì)產(chǎn)生的反向摩阻力fs和土體界面ed產(chǎn)生的土體剪阻力τ會(huì)阻止該部分土體產(chǎn)生 向上位移。將該兩項(xiàng)反力體現(xiàn)到土體容重中，可得到新的土體容重，故土體對(duì)粧體的側(cè)摩阻 力會(huì)發(fā)生變化。
[0031]將高速公路剛性粧加固區(qū)假定為條形基礎(chǔ)，對(duì)單位延米的單元進(jìn)行推導(dǎo)：
[0032] 每延米粧周土 adef的體積Vadef、粧土接觸面積Aaf、土體剪切面面積Aed可由下式計(jì) 算：
[0033] Vadef=(n-1)RHX1 Aaf = HXl Aed = HXl (1)
[0034] 式中：η為太沙基深基礎(chǔ)影響半徑系數(shù);R為基礎(chǔ)半徑(m);Η為基礎(chǔ)深度(m)。
[0035] 將考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力fs和土體剪切力τ反映到土體容重γ i上，由土體adef 的靜力平衡可知：
[0036] γ lVad= Y oVadef+fsAaf+TAed (2)
[0037] 貝lj:
[0038]
[0039] 式中：γ i為考慮邊載效應(yīng)的土體容重(kN/m3); γ o為土體天然容重(kN/m3) ;fs為考 慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力(kPa);i為基礎(chǔ)邊界土體剪切力(kPa)。
[0040] 由于土體容重的變化，粧土間側(cè)摩阻力發(fā)生變化，可按下式計(jì)算：
[0041]
(4)
[0042] 式中，K為水平土壓力系數(shù)，可按& = 1 - sing?計(jì)算，供為土體內(nèi)摩擦角;11為粧土摩 擦系數(shù);h為粧長(m)。
[0043] 引入常數(shù)M=(n_l)R和fsQ= yohKu，則考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力fs:
[0044](5) iVi J4)
[0045] 基礎(chǔ)底部附加應(yīng)力為：
[0046] p〇Ai = pAi-fsA2 (6)
[0047] 式中：po為附加應(yīng)力（kPa) ;p為外載荷(kPa)山為外載荷和附加應(yīng)力的作用面積 (m2);知為側(cè)摩阻力的作用面積(m2)。
[0048] 則地基沉降S為：
[0049]
(?)
[0050] 式中：S為地基沉降(m);Hi為第i分層土的厚度(m);Esi為第i分層土的壓縮模量 (MPa)〇
[0051] 公式(5)中1?受到多種因素影響，結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)，本發(fā)明研究了土體內(nèi)摩擦角 識(shí)、粧長1及粧間距〇對(duì)1?的影響。并通過對(duì)上述因素的線性回歸分析，粧土側(cè)摩阻力發(fā)揮系 數(shù)k 2的表達(dá)式如下：
[0052] fe2 = 4.043D - 0.455Z + 0.214φ + 4 09 C8)
[0053] 式中：k2粧土間側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù);D為粧間距(m);l為粧長(m);供為內(nèi)摩察角。
[0054] 實(shí)際應(yīng)用中具體應(yīng)用步驟如下：
[0055] (1)將設(shè)計(jì)參數(shù)土體內(nèi)摩擦角#粧長1及粧間距D等帶入公式（8)中，得到k2的取 值；
[0056] (2)將1?帶入到公式(5)中，計(jì)算得到側(cè)摩阻力fs;
[0057] (3)將fs帶入到公式(6)中，得到基礎(chǔ)底部附加應(yīng)力po;
[0058] (4)將po帶入到公式(7)中，得到地基沉降S。
[0059] 實(shí)施例一
[0060]結(jié)合天津?yàn)I海新區(qū)某高速公路工程實(shí)例，考慮邊載效應(yīng)的高速公路剛性粧復(fù)合地 基沉降計(jì)算過程如下：
[0061 ] (1)填土荷載高度為6.25m，傳遞至復(fù)合地基的荷載為99.85kPa;
[0062] (2)該工程加固區(qū)域土體內(nèi)摩擦角為12.22°，加固深度為14m，粧間距為2.5m，經(jīng)過 計(jì)算，計(jì)算得摩阻力系數(shù)1?為10.44;
[0063] (3)已知 fs〇A2 為 137.911^，厶1為189.451112，將1?、匕(^2和厶 1帶入到公式（5)(6)中，計(jì) 算得到下臥層的附加應(yīng)力為92.25kPa;
[0064] (4)運(yùn)用分層總和法對(duì)下臥層沉降進(jìn)行計(jì)算，以土層附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比小 于經(jīng)過計(jì)算，下臥層沉降為0.12m。由于剛性粧剛度較大，忽略加固區(qū)壓縮變形，故該復(fù)合地 基的最終沉降量為0.12m。
[0065] (5)經(jīng)過長期觀測，最終沉降實(shí)測值為0.10m，本發(fā)明計(jì)算的誤差為0.02m。
[0066] 實(shí)施例二
[0067] 結(jié)合天津?yàn)I海新區(qū)某高速公路工程實(shí)例，考慮邊載效應(yīng)的高速公路粧基礎(chǔ)沉降計(jì) 算過程如下：
[0068] (1)填土荷載高度為6.98m，傳遞至復(fù)合地基的荷載為111.83kPa;
[0069] (2)該工程加固區(qū)域土體內(nèi)摩擦角為12.2°，加固深度為14m，粧間距為3.0m，經(jīng)過 計(jì)算，側(cè)摩阻力系數(shù)1?為12 · 46;
[0070] (3)已知f sQA2為 117 · 45kN，Ad 186m2，將 k2、f soAdPAi帶入到公式(5) (6)中，計(jì)算得 到下臥層的附加應(yīng)力為1 〇4kPa;
[0071] (4)運(yùn)用分層總和法對(duì)下臥層沉降進(jìn)行計(jì)算，以土層附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比小 于經(jīng)過計(jì)算，下臥層沉降為0.364m。由于剛性粧剛度較大，忽略加固區(qū)壓縮變形，故該復(fù)合 地基的最終沉降量為0.364m。
[0072] (5)經(jīng)過長期觀測，最終沉降實(shí)測值為0.342m，本發(fā)明計(jì)算的誤差為0.022m。
[0073] 實(shí)施例三
[0074] 結(jié)合天津?yàn)I海新區(qū)某高速公路工程實(shí)例，考慮邊載效應(yīng)的高速公路粧基礎(chǔ)沉降計(jì) 算過程如下：
[0075] (1)填土荷載高度為4.7m，傳遞至復(fù)合地基的荷載為75.47kPa;
[0076] (2)該工程加固區(qū)域土體內(nèi)摩擦角為18.3°，加固深度為14m，粧間距為3.0m，經(jīng)過 計(jì)算，側(cè)摩阻力系數(shù)1?為13 · 77;
[0077] (3)已知fs〇A2為324.051^41為1951112，將1?、匕(^ 2和六1帶入到公式(5)(6)中，計(jì)算得 到下臥層的附加應(yīng)力為52.62kPa;
[0078] (4)運(yùn)用分層總和法對(duì)下臥層沉降進(jìn)行計(jì)算，以土層附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比小 于經(jīng)過計(jì)算，下臥層沉降為0.082m。由于剛性粧剛度較大，忽略加固區(qū)壓縮變形，故該復(fù)合 地基的最終沉降量為ο. 082m。
[0079] (5)經(jīng)過長期觀測，最終沉降實(shí)測值為0.068m，本發(fā)明計(jì)算的誤差為0.013m。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種考慮邊載效應(yīng)的公路剛性粧復(fù)合地基沉降計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步 驟： (1) 以太沙基深基礎(chǔ)承載力公式為基礎(chǔ)，引入邊載作用概念，根據(jù)靜力平衡，推導(dǎo)考慮 邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力fs，計(jì)算公式如下： fs = k2fs〇 式中：Zc2 = 4.043D - 0.4脫+ 0.214φ + 4.09,為土側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù);fSQ為不考慮邊 載效應(yīng)的側(cè)摩阻力；供為土體內(nèi)摩擦角；1為粧長;D為粧間距。 (2) 根據(jù)靜力平衡，計(jì)算基礎(chǔ)底部附加應(yīng)力ρο,計(jì)算公式如下： p〇Ai = pAi-fsA2 式中：fs為步驟（1)中計(jì)算得到的考慮邊載效應(yīng)的側(cè)摩阻力;P為外載荷M1為外載荷和 附加應(yīng)力的作用面積;A2為側(cè)摩阻力的作用面積。 (3) 計(jì)算地基沉降S，計(jì)算公式如下： 式中：Po為步驟(2)中計(jì)算得到的附加應(yīng)力;H1為第i分層土的厚度;Esi為第i分層土的 壓縮模量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮邊載效應(yīng)的公路剛性粧復(fù)合地基沉降計(jì)算方法;其特征 在于，步驟(1)中所述的土側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)1?由結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)土體內(nèi)摩擦角爐、粧 長1及粧間距D進(jìn)行線性回歸分析計(jì)算而得。
【文檔編號(hào)】E02D1/08GK105887791SQ201610223743
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】苑紅凱, 陳志國, 張德利, 張寶剛, 趙亞琴, 曾偉, 王新岐, 李仙, 楊輝, 魏繼合, 焦占武, 段曉沛, 張國梁, 孫立強(qiáng), 郎瑞卿, 張占領(lǐng), 程海波, 葛娟, 謝國棟, 張立文, 趙寧, 柏正云, 位樹
【申請(qǐng)人】天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院