布袋注浆桩复合地基固结方程解析解.pdf
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1、2023年7 月第39卷第4期文章编号:2 0 9 5-19 2 2(2 0 2 3)0 4-0 6 0 4-11沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)Jul.2023Vol.39,No.4doi:10.11717/j.issn:2095-1922.2023.04.04布袋注浆桩复合地基固结方程解析解彭仪普,汤致远,邓湘洋,李(中南大学土木工程学院,湖南长沙410 0 7 5)摘要目的解决传统地基处理方法对软土地基区域存在适用性差、效果不明显以及设计计算不准确等问题。方法通过分析布袋注浆桩复合
2、地基加固机理,在现有复合地基固结研究的基础上,考虑因施工扰动而造成的土体水平渗透系数变化的三种可能模式,推导出布袋注浆桩复合地基固结控制方程,并根据固结解答采用解析方法对复合地基的固结度、孔压等问题进行多方面的分析。结果给出了布袋注浆桩复合地基固结控制方程以及复合地基在荷载瞬时施加和单级施加情况下的解析解;在相同计算条件下,散体材料桩、布袋注浆桩复合地基、不透水桩复合地基以及天然地基之间的固结速率表现为递减趋势。结论地基固结随着地基顶面和底面附加应力比值的增大而加快,且接近地表的附加应力越大固结越快。外部荷载瞬时施加,此时地基固结最快;加载历时越久,地基内的最大孔隙水压力值越小。关键词布袋注浆
3、桩;解析解;水平渗透系数;复合地基固结中图分类号TU447剑,李子超文献标志码AAnalytical Solution of Consolidation Equation ofComposite Foundation Considering Bag Grouting PilePENG Yipu,TANG Zhiyuan,DENG Xiangyang,LI Jian,LI Zichao(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha,China,410075)Abstract:Solve the problems of
4、poor applicability,inconspicuous effect and inaccurate designcalculation of traditional foundation treatment methods for soft ground areas.By analyzing thereinforcement mechanism of composite foundation with bag grouting pile,on the basis of theexisting research on consolidation of composite foundat
5、ion,three possible modes of soil horizontalpermeability coefficient change due to construction disturbance are considered,the consolidationcontrol equation of composite foundation with bag grouting pile is derived,and the consolidationdegree and pore pressure of composite foundation are analyzed in
6、many aspects by using analyticalmethod according to the consolidation solution.The consolidation control equation of compositefoundation with bag grouting pile and the analytical solution of composite foundation under收稿日期:2 0 2 2-12-15基金项目:国家自然科学基金项目(52 0 7 8 499)作者简介:彭仪普(197 0 一),男,副教授,博士,主要从事结构稳定性
7、与精密仪器测量等方面研究。第4期instantaneous and single-stage application of load are given;under the same calculation conditions,the consolidation rate between bulk material pile,composite foundation with bag grouting pile,composite foundation with impermeable pile and natural foundation shows a decreasing trend.
8、Theconsolidation of the foundation is accelerated with the increase of the ratio of additional stress atthe top and bottom of the foundation,and the larger the additional stress near the surface,the fasterthe consolidation.The external load is applied instantaneously,when the foundation consolidatio
9、n isthe fastest;the longer the loading time,the smaller the maximum pore water pressure value in thefoundation.Key words:bag-grouting-pile;analytical solution;horizontal permeability coefficient;compositefoundation consolidation彭仪普等:布袋注浆桩复合地基固结方程解析解605在我国东部沿海部分地区,地貌表现为全新世晚期滨海淤积平原地貌,该地区土体性质较差,均为软土地基。
10、目前常用的地基处理方法有换填、强夯等加固天然地基处理方式和水泥搅拌桩等置换处理方式。基于软土特性,这些地基处理方式存在适用性差、效果不明显的特点。而通过土工织物袋或尼龙袋以及水泥等注浆液形成柱状或葫芦状硬化体挤密加固土体的软土地基处理方法受到越来越多的关注。布袋桩由于布袋排水特性可以加快土体固结,缩短工期 ,就复合地基固结理论,诸多学者对其进行了研究。19 48 年,R.A.Barron21 提出了砂井地基径向轴对称固结理论,后续学者不断对Barron固结理论中的假定进行修正,极大促进了砂井地基固结理论的研究。杨涛等3 将整个复合地基视为均质的复合材料,采用复合模量法对荷载瞬时施加和单级施加的
11、黏结材料桩复合地基线弹性固结理论进行了研究。谢康和等4-5 通过两种不同的方法对复合地基固结模型进行了修正。部分学者对考虑桩体和土体发生二维变形情况下的固结理论进行了研究6-8 。T.Yang等 在卢萌盟等10-1 提出的轴对称固结模型的基础上,进一步提出未打穿不透水桩复合地基的固结解析解,使对不透水桩复合地基固结问题的研究又得以拓展。D.W.Zhang等12 按照渗透系数将塑料排水板和土体等效为均质土体,利用K.Terzaghi13提出的天然地基一维固结模型计算组合桩复合地基固结度。陈蕾等14 利用砂井地基理论研究了组合桩复合地基固结问题。以上学者采用理论分析和试验等方法对复合地基固结理论进
12、行了深入研究,促进了对复合地基固结理论的认识和了解,然而其理论研究大多是基于一定的条件假设及模型简化,对更为复杂的情况只能通过数值求解的方法进行计算。基于此,笔者针对布袋注浆桩特性,考虑土体水平渗透系数的三种模式以及附加应力延深度的非均匀分布,首次推导布袋注浆桩复合地基固结控制方程,并求出在不同加载情况下的固结解析解,为软土地基处理的设计计算方法提供参考。1固结控制方程推导布袋注浆桩复合地基在正方形布桩时,为方便计算,参照碎石桩复合地基,布袋注浆桩复合地基单桩分担地处理地基面积的等效圆直径d。=1.13s,其中s为复合地基桩间距(见图1)。1.1 基本假定笔者以轴对称固结模型为基础,桩周土体存
13、在竖向水流,并考虑土体的水平向渗透系数,且水平向渗透系数沿径向发生变化。由于布袋注浆桩其特有属性,桩体为不排水且桩布袋边界为不排水边界,布袋一土界面为弱排水界面,所取单元的径向外边界即影响区边界为不排水界面。606沈阳建筑大学学报(自然科学版)第39卷桩间距s=1.3m图1布袋桩复合地基布桩图Fig.1 Pile layout of bag pile composite foundation考虑到现场环境的复杂性,采用固结简化模型(见图2),基于以下假定:桩体为不透水桩,桩体内不存在超静孔隙水压力;布袋注浆桩所采用布袋的水平渗透系数和竖直渗透系数不变,分别为khb和kvb;等应变条件成立,即桩
14、体、布袋和土体均受侧向约束,并且竖向变形相等;无竖向压力作用时,常仕维等15-1 运用修正的达西定律去描述土工织物的渗透特性,认为当流速较小时,水流进人孔隙或从孔隙流出时产生的局部水头损失相对于水流通过由织物形成的孔隙时产生的水头损失可以忽略,表现为层流。因此假定复合地基内水的渗流和流动符合Darcy定律;外部荷载在地基中引起的平均附加应力(z,t)为深度与时间的函数。0布袋注浆柱未扰动区批动区制方程推导时考虑扰动效应(涂抹效应),将桩周土分为扰动区和未扰动区,并假定扰动区土体的渗透系数小于未扰动区土体,且布袋的水平渗透系数和竖直渗透系数不变,分别为khb和kvb。根据扰动区土体渗透系数随位置
15、变化模式的不同,考虑扰动效应的方法主要包括模式一、模式二、模式三(见图3)。模式一:假定扰动区土体渗透系数保持不变,k.()4kk0rerk.(r)kk0rerk.(r)Khb批动区未扰动区一一一H一一kre(a)模式一r(b)模式二布袋图2 布袋注浆桩复合地基固结模型Fig.2 Consolidation model of composite foundationwith cloth bag-grouting-pile1.2推导过程笔者在进行布袋注浆桩复合地基固结控k110rr图3扰动区土体水平渗透系数三种变化模式Fig.3 Three variation modes of soil hor
16、izontalpermeability coefficient in disturbed area-一r(c)模式三第4期此模式为最早考虑扰动效应,造成的误差较大,适用于扰动区较小的情况;模式二:假定扰动区土体渗透系数沿径向线性变化;模式三:假定扰动区土体渗透系数沿径向抛物线变化,此模式是通过大量试验结果和实测结果拟合出来的近似变化模式。复合地基水平渗透系数k.(r)和复合地基竖向渗透系数k(r)均是一个关于径向距离r的分段函数(见图3、图4),令k(r)=kifi(r)、k(r)=k n f z(r),图中k为复合地基彭仪普等:布袋注浆桩复合地基固结方程解析解607布袋厚度;u,为桩周土体平
17、均超静孔压;up为布袋内平均超静孔压;E,、E,、E。分别为土体、布袋和布袋注浆桩桩体的压缩模量;8 v为地基在任一深度处的竖向应变。k.()k1未扰动区土体水平渗透系数。根据图2 所示固结模型及布袋注浆桩桩-体不透水,由等应变假定及平衡方程可得:0rer(r-r:)u,+(r-ri)u,-ro(z,t)图4复合地基竖向渗透系数变化模式8v=-(1)(r-r)E,+rE+(r-r)E,式中:r。为影响区半径;r。为桩体半径;r为布袋注浆桩桩体和布袋组合体的半径;b为1E,n-+Y+(s-1)x*((nat式中:n为桩径比,n=r/re;s=rp/re;X=Ep/E,;Y=E/Es。地基土体内、
18、布袋内以及布袋和土体内的平均孔压分别为1.=-1b2mru(r)dr.1atE,n?-5+Y+(s-1)X*由于布袋注浆桩复合地基的布袋土界面为排水界面,而桩布袋边界和单元体外边界不排水,所以得出径向边界条件为au/ar=0,r=re;u,=up,r=rb;k.(r,)au/ar=knboup/ar,r=rp;au/ar=0,r=re.根据谢康和等18 在对称情况下考虑土体径向及竖向渗流时研究的固结方程作微分和积分,并结合式(7)对应的边界条件,得:1Fig.4 Vertical permeability coefficient variationpattern of composite fo
19、undation竖向应变关于时间t的偏导数为udo(z,t)1atat1T(-r)C12ru,dr+/2mru,dr)=T(r-rTc(s?-1)u,+(n-s2)un-1(3)由式(2)和式(5)得:audo(z,t)atatu,(r)=up I r=n)十nrA0(r)-B(r)X,Y.台其中,A(r)=B.(r)()(7)rprre。2-2r;lnr,+2rlnr.式中:k,为土体竖向渗透系数;w为水的重力密度。(2)at2mru,(r)dr.(4)(5)(6)ku2k十f(s);ku)-at(9)(8)Sd608将式(8)代人式(3)、式(9)代人式(4),E,n?-s?+Y+(s?-
20、1)XFwR)2kh4kmbat2(A,r-B,)其中,F。Pri(n-1)对式(8)和式(9)关于r微分,代人式(7)对应的边界条件,并结合式(5)、式(6)得:QuABatat其中,w(n?-1)?A:E,n-5+Y+(s2-1)X(s-1)(kb-k,)一w(n?-s2)D=E,n-s+Y+(s-1)X(kv-k,)E=E,n-s+Y+(s?-1)X(n-1)(kv-k,)nR-kvb+(s?-1)(kb-k,)ll4knb(s2-1)至此,关于和的控制方程均已得到,即式(11)和式(12)。由于地基顶面排水,底面不排水,可得竖向边界条件为u(z,t)=0,ug(z,t),u(z,t)u
21、,(z,t)=0,=0,Z.=H.z2固结控制方程求解2.1荷载瞬时加载条件下方程求解由于在初始时刻土体和桩体没有发生变形,将等应变假定代人固结模型平衡方程,结合式(5)可得初始条件为n(z,0)=-1(2,0).令u=Z(t)T(t),t。为加载历时,荷载瞬时施加时,(z,t)=(z,t。)=(见图5),沈阳建筑大学学报(自然科学版)并将两式相减后联合式(5)、式(6)得:n?-s2(wFwRu2kh4kmatE,n?-5+Y+(s?-1)X-1kr.F+eC+2k?-12kh2r1-3r10;R2u(11)rF.k,+(n -5)(k -k,)_ R -k u p +(s -1)(k v
22、b -k,)/l2kh(n-s)w(n-s)F.(n-1)k,+n(n-s)(ku-k,)kvbkvHkvb-kv2k4kmb(s?-1)l则a(z,t)/at=0,结合式(12)、式(14),利用分离变量结合竖向边界条件,参照文献18 中的方法,可得解的形式为(z,1)4Z=0;(13)(14)第39卷n-s?n*?-1kvbR1(10)-14khbrAo(r)dr;B,=A2CB=E,n-s+Y+(s2-1)X(s?-1)(kv,-k.)(n-1)kv将式(11)代人式(10)得:Euup=u+D(12)atat其中,4knb(s?-1)2kh(n-s)F+(n-s)Rl0(z,t.)0图
23、5瞬时加载情况下复合地基中附加应力随时间变化图Fig.5Variation of additional stress in compositefoundation with time under instantaneous loadingrBo(r)dr。rbbw(n?-1)n?第4期彭仪普等:布袋注浆桩复合地基固结方程解析解609=Amamsin(mz)+bmcos(Amz)+Cmsinh(m2)+dm.cosh($mz)JePm.m=1式中:(C+1-mD)+/(C+1-mD)4AFBm5m-(C+1-mD)V(CH-mD)4AFBm入u,(z,t)=ZAm(1-Dm+FXa)amsin(
24、mz)+bmcos(mz)+(1-Dm-Fm)cmsinh($mz)+dmcosh($mz)je-m.Cm5m(sm+入)cosh(5mH)=0.am入mcos(入mH)=0.由于入和m不能为零(否则解为零解),可知入m=M/H,M=(2m-1)/2(m=1,2,),将条件带入式(16)解出m,将式(15)、式(17)结合式(14)可得最终解:82sinMH之.一1nMsinM-mteHFH其中,,mA+DH复合地基的固结度可以定义为.u(z,0)-u(z,t)dzU(t)Hu(z,o)dz0.Hu(z,t)dzJ01.Hu(z,o)dz把式(14)和式(2 0)代人式(2 2),得到瞬时加载
25、情况下的布袋注浆桩复合地基固结度解析解:U(t)=1-m二2.2荷载单级施加条件下方程求解地基内附加应力是一个可以分离的变量,外部荷载单级施加且附加应力沿深度呈(15)根据式(13)中关于u、u 的边界条件,2F结合式(12)和式(15)可得:.(16)2F(18)(19)Meml(20)-DBm+FM)H(21)4M2Meo(17)梯形分布(见图6),荷载非瞬时施加时,在地基内引起的附加应力为(z,t)=0+(0,-0),式中:和B分别为最大加载值时地基顶面和底面的附加应力值。0(z,t)4a(z,tM2+1H2M(24)tte.GB f(z,1t)01HO0图6 荷载单级情况复合地基附加应
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