高填方路段CFG樁復(fù)合地基變形規(guī)律計(jì)算分析

崔亞楠,洪寶寧,李 凱

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,陜西西安710048)

CFG樁復(fù)合地基是近年來應(yīng)用較多的一種地基處理技術(shù),具有承載力高,沉降變形小,施工速度快、工期較短、質(zhì)量容易控制及工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn),因而在建筑地基、高等級(jí)公路與高速鐵路等工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但由于加固技術(shù)的加固機(jī)理比較復(fù)雜,還存在很多的理論和實(shí)際工程問題有待進(jìn)一步研究[3],特別是下臥層沉降計(jì)算研究更為滯后。在CFG樁復(fù)合地基變形研究方面,通常認(rèn)為復(fù)合地基沉降等于加固區(qū)和下臥層沉降之和[4]。黃生根[5]、楊濤[6]、李海芳[7]等人,通過考慮加固區(qū)的樁土相互作用,假定樁間土豎向位移模式,推導(dǎo)出了柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基沉降的計(jì)算式。宋修廣,郭宗杰等[8-9]對(duì)路堤荷載作用下復(fù)合地基的變形進(jìn)行了研究。隨后許多學(xué)者對(duì)CFG樁的承載特性及沉降計(jì)算以及設(shè)計(jì)和施工技術(shù)等進(jìn)行了分析研究,積累了許多研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)。

由于數(shù)值計(jì)算能較全面地考慮各種因素,所以本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上以某高速公路路基工程為研究背景[10-13],采用有限元法系統(tǒng)分析了該工程高填方路段典型斷面中,樁端土模量與厚度、樁長(zhǎng)與樁體模量等相關(guān)因素對(duì)CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)力及變形變化規(guī)律的影響。為CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用提供參考,并且有利于減少工程造價(jià),提高工程質(zhì)量。

1 工程概況計(jì)算模型與參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,廣東省某高速公路沿線的軟土主要為第四系淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及飽和軟塑、流塑狀粉質(zhì)粘土,以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主。其地層分布從上到下依次為:①粉質(zhì)粘土。該土層厚度2.1 m～3.4 m,上部含有0.3 m左右的耕植土。②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。該層厚度為5.80 m～10.6 m。③粉質(zhì)粘土夾粉土。該層厚度為2.4 m～4.8 m。④細(xì)沙。該層厚度為5 m。呈灰白色、飽和、松散、含有較多粘粒,略有粘性,底部含有少量碎石。各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

由于軟土層厚度較大,而且軟土層具有觸變性、流動(dòng)性、不均勻性、高壓縮性等特點(diǎn),受到震動(dòng)后,易成稀釋狀、易發(fā)生剪切變形、差異性垂向沉降等現(xiàn)象,上部填土后,地基土的承載力較差,此不良土層為路堤產(chǎn)生沉降與發(fā)生失穩(wěn)的主要不良地基土層,為了增加地基承載力和減小沉降,擬采用CFG樁進(jìn)行地基加固處理。

2 計(jì)算模型建立與驗(yàn)證

2.1 建立計(jì)算模型

依據(jù)規(guī)范要求,樁體呈正方形分布,沿路基橫向每排布置,樁長(zhǎng)15 m,樁間距2.0 m,樁徑0.5 m,鋪設(shè)0.4 m的碎石褥墊層[14-15]。根據(jù)路堤受力為平面應(yīng)變問題的特點(diǎn),運(yùn)用有限元分析軟件Plaxis建立一個(gè)典型路堤斷面二維有限元模型,考慮對(duì)稱性,取路基的一半進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算模型如圖1。

地基土豎向計(jì)算深度取30.0 m,橫向計(jì)算寬度取70.0 m,路堤邊坡的坡率為1:1.5,計(jì)算時(shí)土的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型,樁體混凝土與褥墊層采用線彈性模型,考慮樁土之間的相對(duì)滑動(dòng)及土體和樁體的重力。樁土之間設(shè)置界面單元來模擬樁土之間的相互作用。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

邊界條件:左、右邊界水平和豎向約束,不排水;上邊界水平和豎向均自由,排水;下邊界水平和豎向均約束,排水。

2.2 計(jì)算參數(shù)的選用

為了分析不同條件下復(fù)合地基地表沉降變形的規(guī)律,分別按照不同的樁體彈性模量、不同樁長(zhǎng)、不同下臥土層厚度以及不同的下臥層壓縮模量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。表2～表5為計(jì)算時(shí)所選用的參數(shù)。

表2 不同下臥層壓縮模量計(jì)算參數(shù)

表3 不同下臥土層厚度計(jì)算參數(shù)

表4 不同樁體彈性模量計(jì)算參數(shù)

表5 不同樁長(zhǎng)計(jì)算參數(shù)

2.3 有限元模型及參數(shù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元模型及計(jì)算參數(shù)的正確性,采用某單樁載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)予以對(duì)比。該公路工程CFG樁復(fù)合地基施工完畢后,工程驗(yàn)收時(shí)對(duì)某單樁進(jìn)行了靜載試驗(yàn),其數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 單樁載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

依此單樁載荷試驗(yàn),進(jìn)行有限元模擬加載分析。利用前述有限元模型及參數(shù),模擬單樁載荷試驗(yàn)。

由表6可見,有限元計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本相符,證明了所選模型與參數(shù)的適用性。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 下臥層模量對(duì)復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

下臥土層不同壓縮模量的模擬計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3,由圖2可以看出當(dāng)下臥土層壓縮模量一定時(shí),隨著荷載的增大,樁土應(yīng)力比隨之增大;相同荷載時(shí)下臥土層壓縮模量越大,樁土應(yīng)力比越大。這可以理解為樁端土層的持力性能較高時(shí),樁體承擔(dān)較大的應(yīng)力;持力性能較低時(shí),樁體刺入土層中,樁土應(yīng)力比隨之減小。由圖3可以看出當(dāng)下臥土層壓縮模量大于60 MPa時(shí),路基沉降量有變緩的趨勢(shì),此時(shí)路基沉降量已趨于平穩(wěn)變化幅度很小;但總體來看,下臥土層的壓縮模量對(duì)復(fù)合地基的沉降影響比較大。

圖2 下臥層模量對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

3.2 下臥土層厚度對(duì)復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果如圖4、圖5所示,由圖4可以看出,下臥土層厚度對(duì)樁土應(yīng)力比有影響。在一定荷載范圍內(nèi),隨著荷載的增加,樁土應(yīng)力比隨之增大;相同荷載時(shí)下臥土層厚度越大,樁土應(yīng)力比越小。這是因?yàn)楸纠邢屡P土層壓縮模量較小,當(dāng)下臥層厚度較大時(shí),樁體成為“懸浮樁”與端承樁相比較樁土應(yīng)力減小。由圖5中看出,隨下臥層厚度增大,復(fù)合地基沉降亦不斷增大且增幅越來越大。這就說明當(dāng)樁端不能達(dá)到持力較好的土層而形成“懸浮樁”時(shí),下臥土層的厚度對(duì)復(fù)合地基的沉降量影響較大。

圖3 不同下臥土層壓縮模量下的P-S曲線

圖4 下臥層厚度對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

圖5 不同下臥土層厚度時(shí)的P-S曲線

3.3 樁身彈性模量對(duì)復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果如圖6、圖7所示,由圖6可以看出,樁土應(yīng)力比隨樁身彈性模量的增大而增大,但當(dāng)大于10 GPa時(shí),樁土應(yīng)力比基本一致。由圖7也可以得到相似的結(jié)論,即當(dāng)樁身彈性模量大于10 GPa時(shí),復(fù)合地基的沉降變化也趨于一致。這說明,樁身的彈性模量對(duì)復(fù)合地基的沉降并不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

3.4 樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果如圖8、圖9所示,在圖8中,樁土應(yīng)力比隨樁長(zhǎng)的增大而增大,超過復(fù)合地基沉降的比例極限范圍后,樁土應(yīng)力比的增長(zhǎng)開始趨緩或減小。隨著荷載的繼續(xù)增大短樁的側(cè)摩阻力發(fā)揮到極限,樁端土體也開始產(chǎn)生塑性變形,其樁土應(yīng)力比開始有所下降,而長(zhǎng)樁仍未達(dá)到極限承載力,樁土應(yīng)力比還是不斷增大。在圖9中,表現(xiàn)為隨著荷載的增大,短樁較之于長(zhǎng)樁的沉降迅速增大。由此可以得出復(fù)合地基的變形隨著樁長(zhǎng)的增加而顯著的減小。

圖6 樁身模量對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

圖7 不同樁身模量時(shí)的P-S曲線

圖8 樁長(zhǎng)對(duì)樁土應(yīng)力比的影響

圖9 不同樁長(zhǎng)時(shí)的P-S曲線

4 結(jié) 論

采用數(shù)值分析法,分析了不同因素對(duì)CFG樁復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響,可得如下結(jié)論:

(1)隨下臥土層壓縮模量的增大,樁土應(yīng)力比隨之增大,路基沉降總體呈減少的趨勢(shì);在本例中當(dāng)下臥土層壓縮模量大于60 MPa時(shí),路基沉降量有變緩的趨勢(shì),此時(shí)路基沉降量已趨于平穩(wěn)變化幅度很小。

(2)當(dāng)下臥土層厚度較大,而強(qiáng)度不足時(shí),會(huì)形成“懸浮樁”,此時(shí)復(fù)合地基的沉降主要發(fā)生在下臥層中,其沉降隨下臥層厚度的增加而不斷增大。

(3)樁土應(yīng)力比隨樁體彈性模量的增大而增大,而當(dāng)樁體彈性模量大于6 GPa時(shí),樁土應(yīng)力比基本一致。路基沉降總體呈減少的趨勢(shì)。

(4)隨著樁長(zhǎng)的逐漸增大,樁土應(yīng)力比增大而復(fù)合地基地表沉降減小,且減小幅度較明顯。

[1]閻明禮,張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實(shí)踐[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[2]龔曉楠.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]吳慧明,龔曉南.剛性基礎(chǔ)與柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基模型試驗(yàn)對(duì)比研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2001,34(5):81-84.

[4]董必昌,鄭俊杰.CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(8):1084-1086.

[5]黃生根.CFG樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及有限元模擬分析[J].巖土力學(xué),2008,29(5):1275-1279.

[6]楊 濤.復(fù)合地基沉降計(jì)算理論、位移反分析模型和二灰土樁軟基加固試驗(yàn)研究[D].南京:河海大學(xué),1997.

[7]李海芳.路堤荷載下復(fù)合地基沉降計(jì)算方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2004.

[8]宋修廣,郭宗杰,劉金章.粉噴樁復(fù)合地基的數(shù)值計(jì)算分析[J].巖土力學(xué),2002,23(4):494-497.

[9]楊 濤.柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基下臥層沉降特性的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2003,24(1):53-56.

[10]朱云升,郭忠印,丘作中.柔性基礎(chǔ)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的有限元分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2004,28(1):18-21.

[11]何結(jié)兵,洪寶寧,丘國(guó)鋒.高速公路CFG樁復(fù)合地基褥墊層作用機(jī)理研究[J].巖土力學(xué),2004,25(10):1663-1666.

[12]龔曉南,褚 航.基礎(chǔ)剛度對(duì)復(fù)合地基性狀的影響[J].工程力學(xué),2003,20(4):67-73.

[13]王瑞芳,雷學(xué)文.CFG樁復(fù)合地基沉降數(shù)值分析[J].建筑科學(xué),2003,19(2):38-41,45.

[14]李 寧,韓 煊.褥墊層對(duì)復(fù)合地基承載機(jī)理的影響[J].土木工程學(xué)報(bào),2001,34(2):68-73,83.

[15]周愛軍,粟 冰.CFG樁復(fù)合地基褥墊層的試驗(yàn)研究和有限元分析[J].巖土力學(xué),2010,31(6):1803-1808.