1、鐵路工程地基處理技術規程鐵路工程地基處理技術規程西南交通大學道路與鐵道工程系西南交通大學道路與鐵道工程系蔣關魯蔣關魯 教授教授二二O O九年三月九年三月 樁體復合地基承載力計算模式樁體復合地基承載力計算模式調研調研-研究研究引引 言言 研究目的和意義研究目的和意義 淺基礎的各種承載力公式可以說源于塑性力學普淺基礎的各種承載力公式可以說源于塑性力學普朗特爾（朗特爾（Prandtl）解，而摩擦樁的承載力是由樁側摩）解，而摩擦樁的承載力是由樁側摩阻力和端承力兩部分組成的。阻力和端承力兩部分組成的。 淺基礎淺基礎和和樁基礎樁基礎的承載力計算已有較多的工程積的承載力計算已有較多的工程積累和理論研究成果，

2、雖然還有不少問題值得進一步研累和理論研究成果，雖然還有不少問題值得進一步研究，應該說還是較為成熟。究，應該說還是較為成熟。 現有現有樁體復合地基樁體復合地基承載力計算公式認為復合地基承載力計算公式認為復合地基承載力是由地基承載力和樁體的承載力兩部分組成的。承載力是由地基承載力和樁體的承載力兩部分組成的。如何合理估計如何合理估計兩者對復合地基承載力的貢獻是樁體復兩者對復合地基承載力的貢獻是樁體復合地基計算的關鍵。合地基計算的關鍵。 復合地基在荷載作用下破壞時，一般情況下樁體和復合地基在荷載作用下破壞時，一般情況下樁體和樁間土兩者樁間土兩者不可能同時到達極限狀態不可能同時到達極限狀態，或者說兩者同

3、時，或者說兩者同時達到極限狀態概率很小。達到極限狀態概率很小。 通常認為復合地基中樁體先發生破壞，但也有例外。通常認為復合地基中樁體先發生破壞，但也有例外。 若復合地基中樁體先產生破壞，則復合地基破壞時若復合地基中樁體先產生破壞，則復合地基破壞時樁間土承載力發揮度達到多少是需要估計的。若樁間土樁間土承載力發揮度達到多少是需要估計的。若樁間土產生破壞，復合地基破壞時樁體承載力發揮度達到多少產生破壞，復合地基破壞時樁體承載力發揮度達到多少也只能估計。也只能估計。 另外復合地基中的樁間土的極限荷載與天然地基是另外復合地基中的樁間土的極限荷載與天然地基是不同的。同樣，復合地基中的樁體所能承擔的極限荷載

4、不同的。同樣，復合地基中的樁體所能承擔的極限荷載與一般樁基也是不同的。因此樁體復合地基承載力計算與一般樁基也是不同的。因此樁體復合地基承載力計算比較復雜。比較復雜。研究目的和意義研究目的和意義 樁體復合地基中，散體材料樁、柔性樁和剛性樁樁體復合地基中，散體材料樁、柔性樁和剛性樁荷載傳遞機理是不同的。樁體復合地基上基礎剛度荷載傳遞機理是不同的。樁體復合地基上基礎剛度大小、是否鋪設墊層、勢層厚度等都對復合地基受大小、是否鋪設墊層、勢層厚度等都對復合地基受力性狀有較大影響，在樁體復合地基承載力計算中力性狀有較大影響，在樁體復合地基承載力計算中都要考慮這些因素的影響。都要考慮這些因素的影響。 復合地基

5、工程實踐積累較少，而且復合地基技術復合地基工程實踐積累較少，而且復合地基技術正在發展，不少新的復合地基形式得到應用，應該正在發展，不少新的復合地基形式得到應用，應該說復合地基承載力計算理論還很不成熟，需要加強說復合地基承載力計算理論還很不成熟，需要加強研究、發展、提高。研究、發展、提高。 研究目的和意義研究目的和意義調研調研-研究內容研究內容1 樁體復合地基承載力計算模式樁體復合地基承載力計算模式2 樁體極限承載力計算方法樁體極限承載力計算方法3 樁間土極限承載力計算方法樁間土極限承載力計算方法4 現有規范關于復合地基承載力的計算方法現有規范關于復合地基承載力的計算方法5 現有規范關于樁基的計

6、算方法現有規范關于樁基的計算方法6 按現有規范計算承載力算例按現有規范計算承載力算例7 路基穩定性計算算例路基穩定性計算算例8 基底應力數值計算算例基底應力數值計算算例1 樁體復合地基承載力計算模式樁體復合地基承載力計算模式 目前樁體復合地基承裁力的計算模式還不成熟，其計目前樁體復合地基承裁力的計算模式還不成熟，其計算思路常用的有二種。算思路常用的有二種。一是先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據一一是先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據一定的原則疊加這兩部分承載力得到復合地基的承載力；定的原則疊加這兩部分承載力得到復合地基的承載力；二是采用穩定分析法計算，一般可采用圓弧分析法計

7、算，二是采用穩定分析法計算，一般可采用圓弧分析法計算，假設的圓弧滑動面往往經過加固區和末加固區，未加固區假設的圓弧滑動面往往經過加固區和末加固區，未加固區采用天然地基土體強度指標；加固區土體強度指標要采用采用天然地基土體強度指標；加固區土體強度指標要采用復合土體綜合強度指標，也可分別采用樁體和樁間土的強復合土體綜合強度指標，也可分別采用樁體和樁間土的強度指標計算。度指標計算。式中：ppf 單樁極限承載力，Kpa；psf天然地基極限承載力，Kpa；K1反映復合地基中樁體實際極限承載力與單樁極限承載力不同的修正系數，一般大于1.0；K2反映復合地基中樁間土實際極限承載力與天然地基極限承載力不同的修

8、正系數，其值視具體工程情況確定，可能大于1.0，也可能小于1.0；l1復合地基破壞時，樁體發揮其極限強度的比例，可稱為樁體極限強度發揮度，若樁體先達到極限強度，引起復合地基破壞，則 =1.0，若樁間土比樁體先達到極限強度，則 1.0；l2復合地基破壞時，樁間土發揮其極限強度的比例，可稱為樁間土極限強度發揮度，一般情況下，復合地基中往往樁體先達到極限強度， 通常在0.41.0之間；m復合地基置換率。 先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據一定的原則疊加這兩部分承載力得到復合地基的承載力一定的原則疊加這兩部分承載力得到復合地基的承載力的計算公式：的

9、計算公式：sfpfcfpmKmpKp)1 (2211ll 2 樁體極限承載力計算方法樁體極限承載力計算方法樁體極限承載力樁體極限承載力粘結材料樁粘結材料樁散體材料樁散體材料樁柔性樁柔性樁剛性樁剛性樁 粘結材料樁和散體材料樁的荷載傳遞機理是不一樣的。粘結材粘結材料樁和散體材料樁的荷載傳遞機理是不一樣的。粘結材料樁的承載力大小取決于樁側摩阻力和樁底端承力，而散體材料樁料樁的承載力大小取決于樁側摩阻力和樁底端承力，而散體材料樁的承載力大小主要取決于樁側土所能提供的側限力大小。的承載力大小主要取決于樁側土所能提供的側限力大小。粘結材料樁極限承載力計算粘結材料樁極限承載力計算 剛性樁極限承載力多為摩擦樁

10、，其極限承載力表達剛性樁極限承載力多為摩擦樁，其極限承載力表達式為：式為： 在計算樁周摩阻力時應特別注意是否出現負摩阻力現象。另，若復在計算樁周摩阻力時應特別注意是否出現負摩阻力現象。另，若復合地基中剛性樁為端承樁，則復合地基上應鋪設足夠厚的墊層；其合地基中剛性樁為端承樁，則復合地基上應鋪設足夠厚的墊層；其樁體的承載力由樁底端承力提供樁體的承載力由樁底端承力提供( (需進行樁身強度驗算需進行樁身強度驗算) )。柔性樁極限承載力：柔性樁極限承載力： (1)根據樁身材料強度計算承載力： (2)根據樁側摩擦力和樁端端阻力計算承載力。 二者中取較小值為單樁極限承載力。PpiapfARALfSp/ qp

11、pf散體材料樁極限承載力計算散體材料樁極限承載力計算 散體材料樁是依靠周圍土體的側限阻力保持其形狀并承受荷載 ，樁周土可能發揮的對樁體的側限能力對散體材料樁復合地基的承載能力起關鍵作用 。 式中： 為樁間土提供的側向極限應力，Kpa； 樁體材料的被動土壓力系數。 散休材料樁樁側土所能提供的側向極限應力計算主要方散休材料樁樁側土所能提供的側向極限應力計算主要方法：法：Brauns(1978)Brauns(1978)計算式，圓筒形孔力擴張理論計算式，計算式，圓筒形孔力擴張理論計算式，Wong H.Y.(1975)Wong H.Y.(1975)計算式，計算式，HughesHughes和和Wither

12、s(1974)Withers(1974)計算式和計算式和被動土壓力法等。被動土壓力法等。prupfKprupK3 樁間土極限承載力計算方法樁間土極限承載力計算方法復合地基中樁間土極限承載力與天然地基極限承載力密切相關，但兩者并不完全相同。兩者的差別隨地基土的工程特性、豎向增強體的性質、增強體設置方法不同而不同。樁間土極限承載力比天然地基極限承載力大，而且又較難計算時。工程實際中常用天然地基極限承載力值作工程實際中常用天然地基極限承載力值作為樁間土極限承載力。為樁間土極限承載力。天然地基極限承載除了直接通過荷載試驗，常采用Skempton極限承載力公式進行計算：DLDLBNCpcuaf)2 .

13、01)(2 . 01 (4 現有規范關于復合地基承載力的計算方法現有規范關于復合地基承載力的計算方法建筑地基處理技術規范建筑地基處理技術規范（JGJ 79-2002JGJ 79-2002）推薦的計算方法：）推薦的計算方法：承載力計算方法水泥攪拌樁CFG樁碎石樁skpaspkfmARmf)1 ( skpaspkfmARmf)1 ( skpkspkfmmff)1 ( ppisipaAqlqRpcuaAfRppisipaAqlqR5 現有規范關于樁基的計算方法現有規范關于樁基的計算方法鐵路橋涵地基和基礎設計規范鐵路橋涵地基和基礎設計規范（TB 10002.5-2005TB 10002.5-2005）

14、推薦的容許承載力計算方法：推薦的容許承載力計算方法：打入、震動下沉和樁堅爆擴樁： 單樁承載力： 復合地基承載力：鉆（挖）孔灌注樁的容許承載力計算公式為： 單樁承載力： 復合地基承載力：)(21lARlfUPiii AmlfUPii021 CRAP )(21UhCACRP公路橋涵地基與基礎設計規范公路橋涵地基與基礎設計規范（JTG D63-2007）推薦的計算方法）推薦的計算方法 ：摩擦樁承載力容許值端承樁承載力容許值)3(2200hkfmqarlnirpiikaqAlquR121miniikisrkiiirkpaqlufhcufAcR1121216 按現有規范計算承載力按現有規范計算承載力計算

15、假設路堤填筑高度分計算假設路堤填筑高度分3m3m、5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m，路堤頂寬，路堤頂寬1313米，兩側邊坡比都米，兩側邊坡比都是是1 1：1.51.5，地基分為，地基分為3 3種情況：種情況：3030米厚淤泥質土。米厚淤泥質土。上覆上覆8 8米厚淤泥質土米厚淤泥質土, ,下臥有下臥有2222米厚粘土。米厚粘土。上覆上覆8 8米厚淤泥質土米厚淤泥質土, ,下臥巖層；下臥巖層；地基處理方式有地基處理方式有4 4種：水泥土攪拌樁、種：水泥土攪拌樁、CFGCFG樁、碎石樁、碎石樁、混凝土樁。樁、混凝土樁。 路堤的橫截面尺寸和基底應力路堤的橫截面尺寸和基底應力

16、 路堤高度，m 3 5 8 10 15 30 路堤頂寬，m 13 13 13 13 13 13 路堤底寬，m 22 28 37 43 58 103 路堤橫截面面積，m2 52.5 102.5 200 280 532.5 1740 每延米路堤重，KN 1155 2255 4400 6160 11715 38280 樁長,m 15 15 15 15 15 15 樁徑，m 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 樁間距，m 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 每延米樁截面面積，m2 1.919 2.443 3.228 3.752 5.061 8.988 置換率 0.087 0.0

17、87 0.087 0.087 0.087 0.087 樁應力，Kpa 601 922 1362 1641 2314 4258 單樁承受的力，KN 118 181 267 322 454 836 基底平均應力，Kpa 52.5 80.535 118.918 143.255 201.982 371.650 計算結果分析計算結果分析（1 1）30m30m淤泥質粘土條件下淤泥質粘土條件下采用采用CFGCFG樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，3m3m、5m5m高路堤下滿足要求，高路堤下滿足要求，8m8m高路堤下基本滿足要求，高路堤下基本滿足要求，10m10m、15m15

18、m、30m30m高路堤下不滿足要求。高路堤下不滿足要求。采用水泥土攪拌樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，采用水泥土攪拌樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，3m3m高路堤下滿足要求，高路堤下滿足要求，5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路高路堤下不滿足要求。堤下不滿足要求。采用碎石樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，采用碎石樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，3m3m、5m5m高路堤下滿足要求，高路堤下滿足要求，8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤下高路堤下不滿足要求。不滿足要求。采用鋼筋混凝土樁時，路基高度為采用鋼筋混凝土樁時，路基高度為3 3、5 5、

19、8m8m時單樁承時單樁承載力滿足要求，路基高度為載力滿足要求，路基高度為1010、1515、30m30m時單樁承載時單樁承載力不滿足要求，群樁承載力驗算對所有路基高度都滿力不滿足要求，群樁承載力驗算對所有路基高度都滿足要求。足要求。計算結果分析計算結果分析（2 2）8m8m淤泥質粘土淤泥質粘土+22m+22m粘土條件下粘土條件下采用采用CFGCFG樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，3m3m、5m5m、8m8m、10m10m高路堤下滿足要求，高路堤下滿足要求，15m15m、30m30m高路堤下不滿足高路堤下不滿足要求。要求。采用水泥土攪拌樁時，對于單樁承載力和群

20、樁承載力，采用水泥土攪拌樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，3m3m高路堤下滿足要求，高路堤下滿足要求，5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤高路堤下不滿足要求。下不滿足要求。采用碎石樁時，對于群樁承載力，采用碎石樁時，對于群樁承載力，3m3m、5m5m高路堤下滿高路堤下滿足要求，足要求， 8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤下不滿足要求。高路堤下不滿足要求。采用鋼筋混凝土樁時，路基高度為采用鋼筋混凝土樁時，路基高度為3 3、5 5、8 8、1010、15m15m時單樁承載力滿足要求，路基高度為時單樁承載力滿足要求，路基高度為30m30m時單樁承載

21、力時單樁承載力不滿足要求，群樁承載力驗算對所有路基高度都滿足不滿足要求，群樁承載力驗算對所有路基高度都滿足要求。要求。計算結果分析計算結果分析（3 3）8m8m淤泥質粘土淤泥質粘土+22m+22m基巖條件下基巖條件下采用采用CFGCFG樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，所有高樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，所有高度路堤下均滿足要求。度路堤下均滿足要求。采用水泥土攪拌樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，采用水泥土攪拌樁時，對于單樁承載力和群樁承載力，3m3m高路堤下滿足要求，高路堤下滿足要求，5m5m、8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤高路堤下不滿足要求。下不滿足要求。采用

22、碎石樁時，對于群樁承載力，采用碎石樁時，對于群樁承載力，3m3m、5m5m高路堤下滿高路堤下滿足要求，足要求， 8m8m、10m10m、15m15m、30m30m高路堤下不滿足要求。高路堤下不滿足要求。采用鋼筋混凝土樁時，路基高度采用鋼筋混凝土樁時，路基高度3 3、5 5、8 8、1010、1515、30m30m時單樁承載力滿足要求。群樁承載力驗算對所有路時單樁承載力滿足要求。群樁承載力驗算對所有路基高度都滿足要求，而且有很大的富余。基高度都滿足要求，而且有很大的富余。7 路基穩定性計算路基穩定性計算類型 地基 條件 軟弱土層厚度 /m 容重 /KN/m3 泊松比 粘聚力/kPa 摩擦角 /

23、路基 - - 22 0.3 20 30 單層地基 軟土 30 17 0.42 17 9.5 軟土 8 17 0.42 17 9.5 雙層地基 硬塑粘土 22 18 0.4 30 9.5 軟土 8 17 0.42 17 9.5 雙層地基 基巖 22 27 0.25 6.72 42 路基-地基計算參數 加固工法樁長/m樁間距/m樁徑/m容重/KN/m3粘聚力/kPa摩擦角/CFG樁151.50.52254045碎石樁151.50.518038水泥攪拌樁151.50.52015020鋼筋混凝土樁1520.6251190048斷面參數滑動面云圖滑動面云圖 未加固未加固8m路基路基 CFG樁加固樁加固8

24、m路基路基 滑動面云圖滑動面云圖碎石樁加固碎石樁加固8m路基路基水泥攪拌樁加固水泥攪拌樁加固8m路基路基滑動面云圖滑動面云圖鋼筋混凝土樁加固鋼筋混凝土樁加固3m路基路基 最小穩定系數分析最小穩定系數分析 計算采用計算采用Geo-slopeGeo-slope程序，分別列出以下四種方法計算程序，分別列出以下四種方法計算所得最小安全系數所得最小安全系數: :1)1)圓弧滑動法圓弧滑動法2)Bishop2)Bishop法法3)Janbu3)Janbu法法4)Morgenstern-price4)Morgenstern-price法法最小穩定系數分析最小穩定系數分析0510152025300.51.01

25、.52.02.5穩定安全系數路堤高度/m 瑞典條分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法0510152025301.01.52.02.53.03.54.0穩定安全系數路堤高度/m 瑞典條分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法 圖 7-91 穩定系數隨路堤高度變化曲線（未加固） 圖 7-92 穩定系數隨路堤高度變化曲線（CFG 樁） 0510152025300.51.01.52.02.53.0穩定安全系數路堤高度/m 瑞典條分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法0510152025300.51.01.5

26、2.02.53.03.54.0穩定安全系數路堤高度/m 瑞典條分法 bishop法 janbu法 Mogenstern-price法 圖 7-93 穩定系數隨路堤高度變化曲線（碎石樁） 圖 7-94 穩定系數隨路堤高度變化曲線（水泥攪拌樁） 最小穩定系數分析最小穩定系數分析未加固地基及碎石樁、水泥攪拌樁加固地基采未加固地基及碎石樁、水泥攪拌樁加固地基采用用BishopBishop法和法和JanbuJanbu法計算穩定系數比瑞典條法計算穩定系數比瑞典條分法的計算結果要小分法的計算結果要小6%8%6%8%。CFGCFG樁和鋼筋混凝樁和鋼筋混凝土樁加固地基采用四種計算方法所得的穩定安土樁加固地基采用

27、四種計算方法所得的穩定安全系數非常接近，僅在高路堤情況下略有不同，全系數非常接近，僅在高路堤情況下略有不同，仍然是仍然是BishopBishop法和法和JanbuJanbu法的計算結果偏大。法的計算結果偏大。最小穩定系數分析最小穩定系數分析0510152025300.51.01.52.02.53.0 穩定系數 擬和曲線安全穩定系數路基高度/m0510152025300.51.01.52.02.53.03.54.0 穩定系數 擬和曲線安全穩定系數路基高度/m 圖 7-96 穩定系數隨路堤高度變化擬合曲線（未加固） 圖 7-97 穩定系數隨路堤高度變化擬合曲線（CFG 樁） 05101520253

28、00.51.01.52.02.53.0 穩定系數 擬和曲線安全穩定系數路基高度/m0510152025300.51.01.52.02.53.03.54.0 穩定系數 擬和曲線穩定系數路基高度/m 圖 7-98 穩定系數隨路堤高度變化擬合曲線（碎石樁） 圖 7-99 穩定系數隨路堤高度變化擬合曲線（攪拌樁） 最小穩定系數分析最小穩定系數分析（2）路基坡面安全穩定系數隨著路堤高度的增加相應減小，上圖對瑞典條分法所得計算結果進行擬合，擬合公式如下： 式中：a、b、c為擬合參數。cxbaey滑動面形狀參數分析滑動面形狀參數分析滑動面面積L1L2LHL 地基面滑動范圍L2 坡腳外地基土滑動范圍L路基面以

29、下地基土滑動范圍H 壓入深度 圖 7-101 滑動面示意圖 滑動面形狀參數分析滑動面形狀參數分析未加固地基穩定系數小于未加固地基穩定系數小于1.251.25左右（路基高度左右（路基高度H H8m8m），），滑動面壓入地基面的深度呈線性增加。穩定系數小于滑動面壓入地基面的深度呈線性增加。穩定系數小于1.11.1左右（路基高度左右（路基高度H H10m10m），路堤坡腳處出現大面積滑動），路堤坡腳處出現大面積滑動破壞。破壞。剛性樁（剛性樁（CFGCFG樁、鋼筋混凝土樁）滑動面發生在路基坡樁、鋼筋混凝土樁）滑動面發生在路基坡面，滑動范圍小，安全系數大，加固效果顯著。面，滑動范圍小，安全系數大，加固效

30、果顯著。低路堤時，柔性樁（水泥攪拌樁）地基滑動面主要發低路堤時，柔性樁（水泥攪拌樁）地基滑動面主要發生在路基坡面，隨著路基高度的增加，地基開始出現滑生在路基坡面，隨著路基高度的增加，地基開始出現滑動破壞。從滑動面的形狀上看，滑動范圍和深度都沒有動破壞。從滑動面的形狀上看，滑動范圍和深度都沒有出現線性增長，但是當穩定系數小于出現線性增長，但是當穩定系數小于1.251.25時（時（H H30m30m）滑動范圍出現顯著增加。滑動范圍出現顯著增加。散體材料樁（碎石樁）的滑動范圍和壓入深度較水泥散體材料樁（碎石樁）的滑動范圍和壓入深度較水泥攪拌樁小，但是增長速度快。低路堤時，滑動主要發生攪拌樁小，但是增

31、長速度快。低路堤時，滑動主要發生在地基表層，并且隨著路基高度的增加向路基內部發展。在地基表層，并且隨著路基高度的增加向路基內部發展。8 補充基底應力數值計算補充基底應力數值計算斷面形式（i=1：1.5 ）斷面形式 基底應力分布規律基底應力分布規律 表 8-3 兩種斷面形式基底中心點應力比較 斷面形式? （kPa） 斷面形式（kPa） 數值分析法 數值分析法 路基 高度 （m） 粘性土 地基 砂土 地基 h 法 均布荷載法 粘性土 地基 砂土 地基 h 法 均布荷載法 5 82 86.1 100 80.5 80 91.3 100 78.5 8 125.8 136.4 160 118.9 134.4 142.4 160 117 10 163.3 169.8 200 143.3 165.4 175.6 200 141.5 15 244 250.9 300 202 267.9 285.2 300 200.5 30