深厚軟土區(qū)CMP樁與CFG樁組合樁型復(fù)合地基工作特性研究

李龍起，羅書學(xué)

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

CFG樁復(fù)合地基近年來已經(jīng)在鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用［1］。隨著工程實踐的深入，更為復(fù)雜的地質(zhì)條件不斷涌現(xiàn)，對沉降的控制也越來越嚴(yán)格，單純使用CFG樁往往難以滿足工程要求，于是出現(xiàn)了將CFG樁與其它樁型進(jìn)行聯(lián)合使用的地基處理形式［2-4］。目前相關(guān)地基處理技術(shù)規(guī)范中主要針對單一形式的處理技術(shù)［5］，對于采用組合型地基處理方法尚未涉及。國內(nèi)外研究較多的是將CFG樁與剛性樁聯(lián)合使用的復(fù)合地基處理技術(shù)，對于 CFG樁與柔性樁(如 CMP)聯(lián)用的復(fù)合地基的研究尚未見報道。而在該種形式的復(fù)合地基中，由于樁體之間和樁土之間的相互作用機(jī)制復(fù)雜，導(dǎo)致工程人員對于不同樁體間的工作特性等了解不夠。

本文針對哈大客運(yùn)專線某路基段地基處理工程，研究了此種復(fù)合地基中CMP樁和CFG樁的不同作用，分析了加固后復(fù)合地基中土體特性的變化，所得結(jié)果對于指導(dǎo)客運(yùn)專線建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

在建的哈大客運(yùn)專線跨越深厚軟土區(qū)，軟土層厚度60 m左右(如圖1所示)，路基填筑高度6.0～6.3 m。設(shè)計采用了CFG樁和CMP聯(lián)用的復(fù)合地基處理方案，即以梅花形布置形式為基礎(chǔ)，在距離線路中心18 m范圍內(nèi)設(shè)置CMP樁，樁長為12.0 m，樁徑0.5 m，樁間距為1.5 m。在 CMP樁間設(shè)置樁長為30 m的CFG樁，樁徑和樁間距同 CMP樁。經(jīng)過處理后的CMP復(fù)合地基的承載力要求不小于150 kPa，CFG樁單樁承載力特征值要求不小于800 kN。CFG樁樁體強(qiáng)度等級相當(dāng)于 C20，CMP樁采用水泥摻量14% ～15%的水泥土就地攪拌。

圖1 試驗段地質(zhì)柱狀圖

2 研究方法

2.1 數(shù)值模型的建立

建模時采用平面應(yīng)變模型，并取用中線右側(cè)部分進(jìn)行分析。計算中水平向取路堤填筑寬度的3倍左右，約58 m，豎向取 CFG樁樁長的2倍約60 m，通過反復(fù)試算，在地表以下60 m左右的附加應(yīng)力已遠(yuǎn)小于自重應(yīng)力的0.2倍，故采用此計算范圍是合理的。在計算中，土體采用15節(jié)點的Gauss三角形平面單元進(jìn)行離散，CFG樁和CMP樁采用基于Mindlin梁理論的5節(jié)點樁單元進(jìn)行離散化，模型共使用了2 757個單元及25 690個節(jié)點(見圖2)。模型的側(cè)面約束側(cè)向位移，底部約束豎向位移，頂部取為荷載已知的應(yīng)力邊界。

圖2 有限元模型

2.2 材料參數(shù)的選取

根據(jù)相關(guān)資料［6-10］，鋼筋混凝土板、CFG 樁和CMP樁在軟土區(qū)承受上部路基荷載時均作用在彈性范圍內(nèi)，因此在本數(shù)值模擬中將其均取為彈性材料?？紤]褥墊層和地基土彈塑性破壞特性，在計算中選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為屈服判別準(zhǔn)則。

考慮到樁土之間的剛度差異較大，可能發(fā)生脫離現(xiàn)象，因此在樁土之間設(shè)置 Interface接觸單元，參照Plaxis使用手冊，接觸面折減參數(shù) Rinter取為0.7，并采用Coulomb準(zhǔn)則來判斷彈性和塑性變形行為。模型基本參數(shù)取值見表1。

表1 土層計算參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 復(fù)合地基受力分析

3.1.1 CFG樁樁身受力分析

不同位置處CFG樁樁身的豎向附加應(yīng)力分布圖如圖3所示。由圖3可知，在樁頂以下5 m范圍內(nèi)，樁身的附加應(yīng)力隨深度增加略有增大，最大值距樁頂端約1/6樁長，在5～20 m范圍內(nèi)基本不變，達(dá)到20 m之后該值衰減較為明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可做如下解釋:在地面以下7 m范圍內(nèi)的土體的力學(xué)性質(zhì)較差，樁周土體沉降較大對樁體施加額外的附加應(yīng)力導(dǎo)致其略有增大，地面以下25～30 m范圍內(nèi)土的工程力學(xué)性質(zhì)相對于上部土層較好，導(dǎo)致樁身附加應(yīng)力衰減的速率加快。

圖3 CFG樁樁身附加應(yīng)力曲線

3.1.2 CMP樁受力分析

如圖4所示，在路基填筑荷載影響下，不同位置處的CMP樁樁身附加應(yīng)力值基本相同，其分布規(guī)律表現(xiàn)為:樁頂應(yīng)力最大，隨著樁深的增加，在樁頂以下0～2 m范圍以內(nèi)附加應(yīng)力急劇減小，然后趨于緩和，整體呈現(xiàn)出附加應(yīng)力上部大，中下部小的分布特點。此外與圖3比較可知，CMP樁的樁身附加應(yīng)力要比CFG樁小2個量級。由此可見，與 CFG樁樁身附加應(yīng)力相比，CMP樁承受的附加應(yīng)力較小，樁土協(xié)調(diào)工作能力較CFG樁明顯提高，CFG樁是應(yīng)力擴(kuò)散的主體，CMP樁的作用主要是改善淺表層流塑狀土，保證CFG樁的成樁質(zhì)量。

圖4 CMP樁樁身附加應(yīng)力曲線

3.1.3 樁間土受力分析

線路中心處樁間土附加應(yīng)力隨土層深度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，在CFG樁樁長范圍內(nèi)(0～30 m)，受樁土剛度巨大差異的影響，絕大部分荷載由CFG樁所承擔(dān)，樁間土附加應(yīng)力非常小，其值不足10 kPa，且變化幅度很小;在樁端附近，樁間土附加應(yīng)力急劇增加，最大值約達(dá)到了110 kPa;此后隨著深度的增加，樁間土附加應(yīng)力又逐漸減小，基本上呈線性分布，待深度到達(dá)60 m時，附加應(yīng)力值減小至約70 kPa，這種效應(yīng)類似于靜力觸探中的“超前滯后”效應(yīng)。這種現(xiàn)象可以解釋為:在地面以下約27 m范圍之內(nèi)，上部荷載傳來的附加應(yīng)力主要由CFG樁直接向地基深部傳遞，樁間土的附加應(yīng)力值較小，在接近樁端處，CFG樁的附加應(yīng)力向周圍的土體中擴(kuò)散，引起樁端處土體附加應(yīng)力迅速增大，該種工作性狀類似于實體深基礎(chǔ)。

圖5 路基中心處樁間土附加應(yīng)力與土層深度關(guān)系曲線

3.2 復(fù)合地基變形分析

圖6為不同位置處的豎向沉降曲線圖。從圖上可以看出，實測地基的最終最大總豎向變形約72 mm，其中CFG樁加固區(qū)變形約16 mm，下臥層變形約56 mm。說明地基變形主要由下臥層的變形引起，其所占比例約78%。在加固區(qū)范圍內(nèi)，中心處地面以下5 m范圍內(nèi)的土體沉降相對于5～30 m加固區(qū)的沉降要大，這主要是由于在此范圍內(nèi)應(yīng)力較大并且存在淤泥質(zhì)黏土，土體力學(xué)性質(zhì)較差，受力后產(chǎn)生較大的塑性變形所致，隨著離線路中心距離的增加，這種現(xiàn)象逐漸變得不明顯，這主要是由于臨近坡腳處上部荷載較小的緣故，說明在地表淺層的力學(xué)性質(zhì)較差的土體壓縮沉降特性主要與上部荷載有關(guān)。

圖6 各縱斷面上地基豎向沉降變形曲線

圖7給出了不同高程上各水平剖面的地基豎向變形曲線圖。由圖7可知，在路基填筑影響下，地基形成了沉降盆，在線路中線處豎向變形最大，遠(yuǎn)離中線，沉降減小，在距中線大約50 m的位置，沉降變形已接近于0，這表明離線路中線約50 m的范圍內(nèi)為沉降變形影響區(qū)域。此外比較不同高程處的沉降變形曲線可以看出，在CFG樁加固深度范圍內(nèi)，由于水平方向土體綜合剛度的差異，沉降盆變化幅度較大，而在CFG樁加固深度以外，土層在水平向的剛度基本一致，沉降盆變化幅度相對較小。在樁頂褥墊層處，樁的“刺入”現(xiàn)象較為明顯，而在樁端處這種現(xiàn)象不太明顯。

圖7 各水平剖面上地基總變形曲線

4 結(jié)論

本文結(jié)合我國哈大客運(yùn)專線某地基處理工程，研究了CFG樁和CMP樁組合樁型復(fù)合地基的受力和變形特性，通過研究得出了以下結(jié)論:

1)組合樁型復(fù)合地基中主要是CFG樁承受上部路基填土傳來的荷載，CMP樁對于提高地基承載力的貢獻(xiàn)有限，其主要貢獻(xiàn)是改善流塑狀土的工程特性，便于CFG樁的施工。

2)無論是CFG樁還是CMP樁，其附加應(yīng)力均沿樁身呈現(xiàn)衰減的趨勢，而樁間土在加固區(qū)范圍內(nèi)附加應(yīng)力變化較小，在下臥層范圍內(nèi)則衰減迅速，說明下臥層是承受應(yīng)力擴(kuò)散的主體部分。

3)復(fù)合地基的豎向變形主要發(fā)生在下臥層中，通過計算結(jié)合現(xiàn)場試驗，本工點的下臥層沉降變形約占總沉降的78%。

4)復(fù)合地基在水平方向呈“沉降盆”狀分布，在地面處的差異沉降變形大，在樁端處的差異沉降變形較小，說明在褥墊層中樁體的上端“刺入”現(xiàn)象較為明顯，而在下臥層中的“刺入”現(xiàn)象則較小。

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