基于孔隙介质模型的散体材料桩复合地基沉降分层总和分析方法

材料桩复合地基沉降变形的特点，从桩与土微观变形力学机理研究入手，考虑其孔隙性质并引入孔隙介质分析方法，分别建立了反映桩与土表观变形力学参数与其骨架实际变形力学参数之间关系的孔隙介质模型.在此基础上，考虑桩与土变形力学参数的非线性特征，引进分级加载的思想，分别建立了附加应力和初始地应力对桩与土变形力学参数的影响模型，进而，建立了一种改进的散体材料桩复合地基沉降分层总和分析方法.通过工程实例分析并与现有方法计算结果进行对比，发现该方法不仅能反映桩和土变形力学参数随埋深和附加应力变化而变化的非线性特征，还能避免地基沉降计算中压缩试验曲线的使用，而且具有更高的计算精度，表明了该模型和方法的合理性与优越性.

关键词：地基沉降；散体材料桩复合地基；刚性基础；孔隙介质模型；分级加载；分层总和法

中图分类号： TU472.1文献标识码：A

散体材料桩如碎石桩、砂石桩等加固软土地基或路基是一种广泛应用的地基加固处理技术，且散体材料桩复合地基沉降分析是地基加固处理与基础工程设计的重要依据.但是，由于这种地基的明显不均匀性和应力应变关系复杂性，使得其沉降分析理论及方法研究还需要深化和完善，有必要对此进行更深入地研究.

目前，复合模量法1-3是最为广泛的复合地基沉降分析方法之一，其基本思路是采用桩土复合模量代替天然地基压缩模量，再以分层总和法来计算复合地基的沉降，为此，盛崇文1利用桩土复合地基的面积置换率，将载荷试验确定的桩土模量进行简单的加权平均处理以获得复合模量；Omine2建立了双重介质模型，在考虑桩与土各向异性基础上，利用桩土复合地基面积置换率来确定复合模量，王凤池等3考虑了桩长、桩端土性质对复合模量的影响，并利用复合地基桩体承载机理来修正复合模量面积比公式，从而对复合模量进行修正.另外，张定4基于碎石桩复合地基变形是竖向变形和横向变形的叠加，提出了一种桩土复合地基沉降分析方法.虽然上述各种方法获得了一定的成果，但是，均未体现附加应力和应力历史对复合地基变形力学参数的影响，而且，须采用压缩试验曲线或静载试验曲线来描述桩土模量的变化，这给实际工程计算带来了不便.于是，曹文贵和刘海涛等5基于桩土复合地基沉降变形机理及其非线性特征，考虑荷载作用下桩土变形力学参数的变化，建立了刚性基础下散体材料桩复合地基沉降计算新方法.该方法反映了桩土变形力学参数的变化对复合地基沉降的影响，并且在沉降分析中避免了使用压缩试验曲线或静载试验曲线来描述模量的变化，使沉降计算过程更公式化.但是，这种方法并未反映桩土泊松比变化对复合地基沉降分析的影响，而且，在研究桩土模量变化规律时忽略了高阶变形微量的影响，存在明显的缺陷.如果在此方法的基础上合理地解决桩土模量和泊松比变化对沉降分析的影响，必将获得更为合理的散体材料桩复合地基沉降计算方法，这正是本文研究的核心内容.

为了建立散体材料桩复合地基沉降分析模型，首先做如下假定：

1建筑结构基础为理想刚性基础，因此，桩与土的竖向变形是协调相等的.

2桩与土界面水平或侧向变形连续.

3考虑到散体材料桩具有较强的透水性，孔隙水极易排出，因此，不考虑孔隙水压力对地基沉降的影响.

2桩或土体孔隙介质力学模型

散体材料桩复合地基的桩和土均为孔隙介质体，在荷载作用下，其中孔隙可以被压缩，即桩或土的体积会发生变化，从而，导致其变形力学参数也会随之而变化，但是，散体材料桩和土颗粒骨架可视为传统固体力学研究对象，其变形力学参数为常数6，因此，从孔隙介质微观分析入手，就有可能建立孔隙介质变形力学参数与孔隙介质骨架变形力学参数之间的关系.为此，必须探讨孔隙介质体应力与变形分别与颗粒骨架的应力和变形的关系，前者称为孔隙介质的表观应力和表观变形文献6中称为视应力和视应变，后者称为孔隙介质骨架的实际应力和实际变形，然后据此可建立孔隙介质力学模型，详细内容如下.

上述即为散体材料桩复合地基孔隙介质力学分析模型，下面将在此基础上探讨桩或土体变形力学参数变化规律.

3桩与土变形力学参数变化规律

3.1附加应力作用下桩和土变形力学参数变化规律

1桩和土泊松比的变化规律

以土体为例，设第i地基压缩分层土体所受第j级竖向附加应力增量为

SymbolsA@ szij，两个水平向附加应力增量分别为

桩体孔隙率的变化同样需采用递推方法进行计算，其初始值nPi0的取值也将在本文3.2节进一步讨论.

3桩和土附加应力确定方法

由散体材料桩复合地基沉降分析模型可知，要求得散体材料桩复合地基沉降值，须知道土体所受的应力增量.因为散体材料复合地基中桩与土相互影响，因此，必须从这一力学特点入手，对桩或土体进行受力分析，以求得散体材料桩复合地基的桩土应力比，从而建立散体材料桩复合地基土体所受附加应力的确定方法，具体过程如下.

以土体单元为例探讨桩或土的受力情况.本文参考文献4，5，8，9的方法，在第i地基压缩分层取一个土体单元，在第j级附加应力增量作用下，考虑水平向对称的情况，即σsxij=σsyij，并且为了分析方便，将土体单元受力变形分解为只发生水平向应变或竖向应变的两种模型4，5，8，9，如图1所示，于是，各模型应力应变关系如下：

3.2不同埋深桩和土初始变形力学参数变化规律

一般情况下，散体材料桩复合地基中桩或土的初始变形力学参数可通过室内试验确定10，但是，此时的变形力学参数未考虑不同压缩分层已完成固结变形的不同，即未考虑地基应力历史或初始地应力对变形力学参数的影响，因此，必须建立散体材料桩复合地基桩或土初始变形力学参数的确定方法.

4.2工程实例2

某水库拦河大坝13所在的河床有较深的第4纪冲击层分布，用振冲碎石桩对地基加固.选取现场试验中BC1组载荷试验曲线进行计算，该载荷板尺寸为1.8 m×1.8 m，桩体直径为1 m，长度为9 m，按正三角形布桩，面积置换率m=0.24.桩和土变形模量分别为3.5 MPa，1.5 MPa，重度分别为25 kNm3，20 kNm3.桩泊松比与孔隙率分别为0.25，0.07，土泊松比与孔隙率分别为0.40，0.52.试验荷载为108 kPa时压板实测最大沉降为42.0 mm.

计算深度按照规范12要求取9 m，将地基压缩层分为9层，每层厚度为1 m，将附加荷载及自重荷载均分为20级加载.按实例一计算过程，得桩土变形力学参数初始值见表3，沉降计算结果见表4.

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从上述工程实例分析的过程和结果可以看出，采用本文方法计算的沉降值更接近地基沉降的实际观测值，表明本文方法具有较强的合理性和可行性.虽然本文方法与其他方法相比，计算精度虽然没有明显提高，但避免了地基土压缩试验曲线和经验系数的使用，还全面考虑了桩土变形力学参数变化对沉降的影响，因而具有明显的优越性.

5结论

1从桩土受力与微观变形研究入手，建立了反映桩土表观变形力学参数与颗粒骨架实际变形力学参数之间关系的孔隙介质模型，较现有相关模型具有更广泛地应用范围.

2考虑刚性基础下散体材料桩复合地基沉降特点，运用上述孔隙介质分析模型，引进分级加载思想，建立了附加应力和初始地应力对桩土变形力学参数的影响模型.

3建立了反映桩土变形力学参数非线性变化特征的改进分层总和分析方法，其不仅反映了桩土变形力学参数随埋深和附加应力变化的特征，而且还能避免压缩试验曲线的使用.

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