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碎石桩复合地基沉箱施工预留沉降量计算应用分析
王健
秦皇岛港股份有限公司 河北 秦皇岛 066000
摘 要：为确定海上碎石桩复合地基在沉箱施工过程中预留沉降量，对碎石桩复合地基加固机理及沉降计算方法进行了研究分析，并将最终沉降量的计算结果与原型观测值进行比较，较准确的计算出沉箱预留沉降量。
关键词：碎石桩复合地基；沉箱；预留沉降
1 碎石桩复合地基加固机理
振冲碎石桩法是指采用振冲器成孔后，填充碎石、卵石或矿渣等硬质材料并振动密实形成桩体的一种地基加固方法。其加固机理以置换作用为主，即利用机械设备将原软弱土竖向置换成强度较高的硬质材料。由于碎石桩体较桩周土强度高、模量大，在刚性基础作用下，复合地基应力按模量的大小进行重新分配，在桩上形成应力集中。作用二是挤密效应，即桩周土在施工过程中由于施工机械的挤振产生位移，提高原软弱土密度，减小空隙比从而提高原状土的强度。作用三是排水减压，由于碎石桩桩体的碎石之间存在大空隙，成为良好的排水通道，原地基土排水通道长度缩短、数量增加，从而加速了原软弱地基土的固结，提高了复合地基承载力。作用四是垫层作用，由于碎石桩复合地基加固区的存在，建筑物的附加应力得到扩散，从而减少了下卧层的沉降。
2 碎石桩复合地基沉降计算分析
由于该重力式沉箱码头下地基压缩层深厚，地基在附加应力和自重应力作用下被压缩，由此产生了建筑物的沉降。目前，实际工程中碎石桩复合地基沉降计算主要分成复合地基加固区沉降S1和下卧层沉降S2两部分计算，则复合地基沉降量
S=S1+S2
碎石桩复合地基加固区土层沉降计算方法较多，目前国内外一般采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法来计算。
2.1 复合模量法
复合模量法是将加固区增强体和基体两部分视为均匀材料的整体，采用复合模量来评价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区沉降。
Esp=[1+m（n-1）]Es
式中Esp——复合模量；Es——桩间土压缩模量；m——面积置换率，m=d2/de2其中d为桩身平均直径，de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；n——桩土应力比。
2.2 应力修正法
由于碎石桩的存在，作用在桩间土上的荷载密度比作用在复合地基上的平均荷载密度小，采用应力修正法计算沉降时，忽略碎石桩的存在而只考虑桩间土的荷载作用，桩间土荷载作用大小根据碎石桩和桩间土的压缩模量大小进行分配。然后按照桩间土分担的荷载和压缩模量，根据分层总和法计算加固区土层的沉降。
碎石桩复合地基桩间土分担的荷载ps为
式中p——碎石桩复合地基平均荷载；μs——应力修正系数。
2.3 桩身压缩量法
桩身压缩量法是通过计算桩体的压缩变形量来计算加固区土层地基沉降，桩体压缩变形量则是根据作用在碎石桩体上的荷载与桩身压缩模量计算得来的。假设碎石桩底端刺入下卧层的变形量为Δ，则相应加固区土层的沉降S1为
S1=Sp+Δ
式中Sp——桩身压缩沉降量。
碎石桩复合地基碎石桩分担的荷载pp为
式中μp——碎石桩应力集中系数。
假设桩侧摩阻力平均分布，桩底桩承载力密度为Pb0，则桩身压缩沉降量为
3 工程实例分析
本工程拟在场区内建设重力式沉箱码头，设计地基极限承载力特征值为120 kPa。根据工程地质勘察资料显示该区域地形平缓，由岸边向深水域微倾。场区内土层结构自上而下分为①1流泥、①2淤泥、②粉砂、③粉质粘土、⑤1强风化板岩、⑤2中风化板岩，各地层物理力学性质。
3.1 加固方案
由于淤泥质粉质粘土以上地层地基容许承载力不满足设计要求，经各方讨论后，采用振冲碎石桩作为竖向增强体加固粉质粘土以上土层。碎石桩设计桩径为1.2m、采用正三角形布置，桩体中心距离为1.7m。碎石桩施工前清除表层淤泥并用碎石均匀抛洒压面，碎石桩穿透淤泥、淤泥质粉质粘土，进入持力层④层粉质粘土1m。成桩后顶面设置不小于1.0m。的碎石垫层，然后分级抛填10～100kg块石基床至设计标高。
3.2 原型试验
由于海上碎石桩法加固的海底软弱地基水深较深，不适合进行复合地基载荷板试验，经各方讨论论证后采用现有条件进行原型试验，试验过程采用基床抛石、现有沉箱、沉箱内抛石及沉箱安放压载块等方法模拟分级加载状况。沉箱安装完成后进行沉降观测，根据沉箱原型观测沉降量确定沉箱的预留沉降。
3.3 计算参数
根据现场试验，确定各计算主要参数为：p=120kPa，d=1.7m，H=12.0，n=3.5，B=10.0m，其它土层计算参数详见表1。采用分层总和法计算沉箱最终沉降量，按不同计算方法计算的沉降量与原型观测实测值进行比较，最终沉降量见表2。
4 结论
本文探讨了海上碎石桩复合地基的加固机理和复合地基沉降的计算方法，较准确的计算出碎石桩复合地基的沉降量，为沉箱施工预留沉降起到了一定的指导作用。
由于外部荷载、碎石桩施工质量、潮位等各种因素的影响，原型观测和计算得出的最终沉降量很难准确得出沉箱的最终沉降量，所以在沉箱预留沉降过程中应遵循宁高勿低的原则，并加强观测，随时根据测量数据调整预留值。
参考文献：
[1]龚晓南.复合地基工理论与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2002，1-6.
[2]盛崇文.碎石桩复合地基的沉降计算[J].土木工程学报，1986，1：72-80.
[3]张定.碎石桩复合地基的作用机理分析及沉降计算[J].岩土力学， 1999，20（2）：81-86.
王健
秦皇岛港股份有限公司 河北 秦皇岛 066000
摘 要：为确定海上碎石桩复合地基在沉箱施工过程中预留沉降量，对碎石桩复合地基加固机理及沉降计算方法进行了研究分析，并将最终沉降量的计算结果与原型观测值进行比较，较准确的计算出沉箱预留沉降量。
关键词：碎石桩复合地基；沉箱；预留沉降
1 碎石桩复合地基加固机理
振冲碎石桩法是指采用振冲器成孔后，填充碎石、卵石或矿渣等硬质材料并振动密实形成桩体的一种地基加固方法。其加固机理以置换作用为主，即利用机械设备将原软弱土竖向置换成强度较高的硬质材料。由于碎石桩体较桩周土强度高、模量大，在刚性基础作用下，复合地基应力按模量的大小进行重新分配，在桩上形成应力集中。作用二是挤密效应，即桩周土在施工过程中由于施工机械的挤振产生位移，提高原软弱土密度，减小空隙比从而提高原状土的强度。作用三是排水减压，由于碎石桩桩体的碎石之间存在大空隙，成为良好的排水通道，原地基土排水通道长度缩短、数量增加，从而加速了原软弱地基土的固结，提高了复合地基承载力。作用四是垫层作用，由于碎石桩复合地基加固区的存在，建筑物的附加应力得到扩散，从而减少了下卧层的沉降。
2 碎石桩复合地基沉降计算分析
由于该重力式沉箱码头下地基压缩层深厚，地基在附加应力和自重应力作用下被压缩，由此产生了建筑物的沉降。目前，实际工程中碎石桩复合地基沉降计算主要分成复合地基加固区沉降S1和下卧层沉降S2两部分计算，则复合地基沉降量
S=S1+S2
碎石桩复合地基加固区土层沉降计算方法较多，目前国内外一般采用复合模量法、应力修正法和桩身压缩量法来计算。
2.1 复合模量法
复合模量法是将加固区增强体和基体两部分视为均匀材料的整体，采用复合模量来评价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区沉降。
Esp=[1+m（n-1）]Es
式中Esp——复合模量；Es——桩间土压缩模量；m——面积置换率，m=d2/de2其中d为桩身平均直径，de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；n——桩土应力比。
2.2 应力修正法
由于碎石桩的存在，作用在桩间土上的荷载密度比作用在复合地基上的平均荷载密度小，采用应力修正法计算沉降时，忽略碎石桩的存在而只考虑桩间土的荷载作用，桩间土荷载作用大小根据碎石桩和桩间土的压缩模量大小进行分配。然后按照桩间土分担的荷载和压缩模量，根据分层总和法计算加固区土层的沉降。
碎石桩复合地基桩间土分担的荷载ps为
式中p——碎石桩复合地基平均荷载；μs——应力修正系数。
2.3 桩身压缩量法
桩身压缩量法是通过计算桩体的压缩变形量来计算加固区土层地基沉降，桩体压缩变形量则是根据作用在碎石桩体上的荷载与桩身压缩模量计算得来的。假设碎石桩底端刺入下卧层的变形量为Δ，则相应加固区土层的沉降S1为
S1=Sp+Δ
式中Sp——桩身压缩沉降量。
碎石桩复合地基碎石桩分担的荷载pp为
式中μp——碎石桩应力集中系数。
假设桩侧摩阻力平均分布，桩底桩承载力密度为Pb0，则桩身压缩沉降量为
3 工程实例分析
本工程拟在场区内建设重力式沉箱码头，设计地基极限承载力特征值为120 kPa。根据工程地质勘察资料显示该区域地形平缓，由岸边向深水域微倾。场区内土层结构自上而下分为①1流泥、①2淤泥、②粉砂、③粉质粘土、⑤1强风化板岩、⑤2中风化板岩，各地层物理力学性质。
3.1 加固方案
由于淤泥质粉质粘土以上地层地基容许承载力不满足设计要求，经各方讨论后，采用振冲碎石桩作为竖向增强体加固粉质粘土以上土层。碎石桩设计桩径为1.2m、采用正三角形布置，桩体中心距离为1.7m。碎石桩施工前清除表层淤泥并用碎石均匀抛洒压面，碎石桩穿透淤泥、淤泥质粉质粘土，进入持力层④层粉质粘土1m。成桩后顶面设置不小于1.0m。的碎石垫层，然后分级抛填10～100kg块石基床至设计标高。
3.2 原型试验
由于海上碎石桩法加固的海底软弱地基水深较深，不适合进行复合地基载荷板试验，经各方讨论论证后采用现有条件进行原型试验，试验过程采用基床抛石、现有沉箱、沉箱内抛石及沉箱安放压载块等方法模拟分级加载状况。沉箱安装完成后进行沉降观测，根据沉箱原型观测沉降量确定沉箱的预留沉降。
3.3 计算参数
根据现场试验，确定各计算主要参数为：p=120kPa，d=1.7m，H=12.0，n=3.5，B=10.0m，其它土层计算参数详见表1。采用分层总和法计算沉箱最终沉降量，按不同计算方法计算的沉降量与原型观测实测值进行比较，最终沉降量见表2。
4 结论
本文探讨了海上碎石桩复合地基的加固机理和复合地基沉降的计算方法，较准确的计算出碎石桩复合地基的沉降量，为沉箱施工预留沉降起到了一定的指导作用。
由于外部荷载、碎石桩施工质量、潮位等各种因素的影响，原型观测和计算得出的最终沉降量很难准确得出沉箱的最终沉降量，所以在沉箱预留沉降过程中应遵循宁高勿低的原则，并加强观测，随时根据测量数据调整预留值。
参考文献：
[1]龚晓南.复合地基工理论与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2002，1-6.
[2]盛崇文.碎石桩复合地基的沉降计算[J].土木工程学报，1986，1：72-80.
[3]张定.碎石桩复合地基的作用机理分析及沉降计算[J].岩土力学， 1999，20（2）：81-86.