褥墊層對CFG 樁復(fù)合地基加固作用的分析研究

郭海慶 楊 毅 王振宇

（1.河海大學(xué)土木院巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，南京 210098）

CFG 樁復(fù)合地基因為具有適應(yīng)性廣、質(zhì)量可靠、施工簡單易行、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，所以被越來越多地應(yīng)用到地基處理或不良地基改善的工程實踐中.CFG 樁復(fù)合地基，如圖1所示，主要是由褥墊層、樁間土和樁共同構(gòu)成.CFG 復(fù)合地基是20世紀(jì)80年代末的一項新技術(shù)，近年來在高速公路軟基處理中逐漸推廣使用，研究和實踐表明，在復(fù)合地基中設(shè)置褥墊層可較好地發(fā)揮樁和土的承載力，達(dá)到降低工程造價的目的［1－3］.本文通過一系列的理論，分析褥墊層的作用機(jī)理并運(yùn)用FLAC－3D 對復(fù)合地基進(jìn)行模擬，并從其中得出的數(shù)據(jù)來分析驗證褥墊層在地基加固中的重要作用.

圖1 CFG 樁復(fù)合地基結(jié)構(gòu)體系示意圖

1 褥墊層技術(shù)理論與最小厚度研究

復(fù)合地基在外部荷載的作用下，通過褥墊層的調(diào)整均化作用，其各部分之間相互協(xié)調(diào)、共同工作.褥墊層設(shè)計的合理不僅可以減少地基處理成本、保護(hù)環(huán)境，更重要的是可以充分發(fā)揮復(fù)合地基承載力以增大復(fù)合地基安全系數(shù)［4］.本文將對褥墊層厚度進(jìn)行重點(diǎn)研究，然后在做出一些假定的前提下對樁與樁間土以及褥墊層的最小厚度等重要計算公式進(jìn)行理論推導(dǎo).

從上述褥墊層作用機(jī)理分析可知［5－6］，褥墊層會受到來自基礎(chǔ)上部荷載的壓力，由于樁體和土體的壓縮模量相差較大，導(dǎo)致樁頂比樁間土承擔(dān)更多荷載，樁頂應(yīng)力增大，隨著時間不斷增加，首先會在樁頂上部褥墊層區(qū)域出現(xiàn)相應(yīng)的塑性區(qū)，如圖2所示，樁體會在塑性區(qū)的作用下慢慢刺入褥墊層中，褥墊層內(nèi)土體受到樁體入侵破壞會不斷流失重組，不斷充滿空隙以調(diào)整樁與樁間土上的荷載分擔(dān)比例，如果褥墊層的模量較小，即褥墊層相對較“軟”，樁體的刺入量太大，樁間土的沉降量不能適應(yīng)樁體的刺入量，這導(dǎo)致樁體與樁間土不能很好地協(xié)同工作，荷載分擔(dān)比例的調(diào)整效果不明顯，樁間土的承載力沒有充分發(fā)揮；如果褥墊層的模量太大，即褥墊層相對較“硬”，那么樁體很難刺入其中，這樣樁、土之間的荷載分擔(dān)比例也不均衡，地基承載力也沒有效提高.因此，樁體刺入量的多少或褥墊層的模量就是褥墊層設(shè)計的重要條件之一.

圖2 樁頂塑性區(qū)形成示意圖

假設(shè)褥墊層及樁間土符合土體變形的運(yùn)動學(xué)假設(shè)和流動法則，結(jié)合土的塑性上限理論和極限平衡分析理論對土體進(jìn)行分析.當(dāng)褥墊層的厚度H 大于破壞面深度Hr時，當(dāng)樁體向上刺入褥墊層時，在樁頂會形成一個三角形狀的壓實體，在壓實體的四周會形成相應(yīng)的滑動破裂面，此時可按平面問題來進(jìn)行分析研究，對該三角形壓實體進(jìn)行受力分析，由水平方向受力平衡和豎直方向的受力平衡及太沙基理論中平面問題的求解，可得最佳的樁間距：

式中，ψ 為墊層中內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；d 為樁體直徑.

樁間土應(yīng)力為

式中，m 為設(shè)計置換率；n為樁土應(yīng)力比.

當(dāng)褥墊層的厚度H 小于破壞面深度Hr時，樁體會刺入褥墊層中，則褥墊層發(fā)生滑動破壞，其承載力要進(jìn)行修正，最佳樁間距為：

此種情況時可認(rèn)為m′≈m，所以有：

為了更好研究褥墊層的作用，文中將褥墊層下的復(fù)合地基簡化為圖3所示的模型，模型中樁體及其上部褥墊層簡化成直徑為d 的圓柱體.

圖3 褥墊層計算簡化模型

由于樁、土的模量差異，樁間土與樁體之間存在沉降差，因此樁間土對這部分隔離體會產(chǎn)生向下作用的摩擦力［7］.與樁頂距離較大，土與隔離體之間的沉降變形差會逐漸減小，當(dāng)褥墊層高度逐漸增加，達(dá)到下限臨界值h時，樁體頂部與空隙間的褥墊層及樁間土累加的沉降量大致相等時，樁、土之間不存在摩擦力，并形成了均勻沉降平面.

對隔離體進(jìn)行受力分析，在褥墊層表面，隔離體與周圍土體的沉降變形差很小，因此隔離體幾乎不受摩擦力的作用，但是在褥墊層底面，隔離體與周圍土體的沉降變形差最大，因此受到的摩擦力最大.由分析可知隔離體在被動的狀態(tài)下保持平衡，因此可以用土體被動極限平衡理論進(jìn)行分析.本文假設(shè)剪應(yīng)力的分布是線性的，由于隔離體頂面無相對滑動，因此頂面處剪應(yīng)力為0，而底面處剪應(yīng)力最大，最大剪應(yīng)力為

建立隔離體平衡方程

再根據(jù)平衡條件有：

解方程（7）得：

將式（8）代入式（6）可得：

上式即為褥墊層最小厚度公式，可以對以后的工程實踐起到借鑒作用.

2 CFG 樁復(fù)合地基在豎向荷載下的數(shù)值模擬

本文是依托廣梧高速公路十八合同段地基處理工程來研究的.廣梧高速公路十八合同段位于河口至平臺之間，屬于典型的山丘路段，沿線地形地貌十分復(fù)雜，有高填高挖路段、半填半挖路段、穿山澗路段和依山路段等，路堤填筑高度因地形地貌的復(fù)雜，變化也很大，最低處只有2m 多，最高處10m 多.由于地質(zhì)條件較差，周圍環(huán)境復(fù)雜，廣梧高速公路十八合同段使用了大量的CFG 樁復(fù)合地基.為了便于計算，文章分析選取廣梧高速公路十八合同段的一部分，即k131＋010處地質(zhì)資料來進(jìn)行數(shù)值模擬，分析褥墊層參數(shù)對樁復(fù)合地基加固效果的影響.

采用FLAC－3D有限差分程序?qū)FG 樁復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值模擬.取水平方向為x 軸，豎直方向為y軸，本文選擇從荷載板邊緣沿x 軸向外延伸0.5倍荷載板寬，從樁頂向y 軸延伸兩倍樁長為計算區(qū)域，取復(fù)合地基頂面為自由面，在底面施加豎向約束，水平可動，在側(cè)面施加水平約束，豎直可動.樁體采用彈性各向同性模型，地基土與褥墊層均采用莫爾庫倫彈塑性模型，樁、土、褥墊層之間均設(shè)置接觸面.

數(shù)值模擬中各材料的物理參數(shù)均來自廣梧高速公路十八合同段k131＋010處，詳見表1.

表1 CFG 樁復(fù)合地基計算參數(shù)

）

2.1 褥墊層厚度的影響

本次模擬參數(shù)為：樁長L＝7.5m，樁徑D＝0.5 m.樁數(shù)選取3×3，樁間距L0＝1.5m，根據(jù)計算區(qū)域?qū)ΨQ性選取1／4區(qū)域進(jìn)行模擬.模擬復(fù)合地基總面積為3.0m×3.0m，水平方向計算區(qū)域6.0m×6.0m.墊層厚度設(shè)置4個等級，分別取h＝100mm，200mm，300mm，400mm.荷載設(shè)置6個等級，分別為P＝50 kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa.

圖4 FLAC－3D模型網(wǎng)格劃分

對復(fù)合地基在不同厚度的墊層以及不同豎向荷載情況下的沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析其曲線.

由圖5中不同墊層厚度的沉降關(guān)系曲線得出，當(dāng)墊層厚度相同時，復(fù)合地基沉降量會隨著荷載的增加而增大，但荷載增大到一定程度時，基礎(chǔ)沉降速率會逐漸減小，逐漸達(dá)到平衡.當(dāng)荷載相同時，褥墊層越厚，復(fù)合地基沉降量越大，此規(guī)律正與文獻(xiàn)［8－9］中的實測值相符.本文分析認(rèn)為當(dāng)荷載不斷增大，樁頂上的褥墊層中會首先出現(xiàn)塑性區(qū)，這樣會導(dǎo)致地基沉降增加；當(dāng)褥墊層模量相同時，褥墊層越厚，樁體入侵程度越大，直至達(dá)到平衡狀態(tài)，因此褥墊層厚度會影響樁的侵入程度，同樣也會影響地基沉降量.

圖5 墊層厚度與沉降的關(guān)系

圖6表明，其他條件不變時，墊層厚度增大，樁土應(yīng)力比會逐漸減小，樁體承擔(dān)的荷載會部分轉(zhuǎn)移到土體中，樁間土承擔(dān)的荷載逐漸增大.隨著褥墊層厚度增加，樁土應(yīng)力比關(guān)系曲線逐漸變緩.文獻(xiàn)［10］中所得規(guī)律與本文分析基本一致.

圖6 墊層厚度與樁土應(yīng)力比的關(guān)系

由圖6分析可知，褥墊層的厚度可以調(diào)整樁土應(yīng)力分擔(dān)比例.當(dāng)褥墊層厚度較大時，樁土應(yīng)力比會接近最小值，此時樁體會較大地向上入侵到褥墊層中，導(dǎo)致樁間土?xí)袚?dān)更多的荷載，并逐漸被壓縮密實，所以樁體承擔(dān)的荷載會減小，這樣樁頂應(yīng)力也會相應(yīng)減少.反之，當(dāng)褥墊層厚度逐漸減小，樁體的入侵量也相應(yīng)減小，樁間土所承擔(dān)荷載也相應(yīng)減小，樁體承擔(dān)荷載則會增加，這樣導(dǎo)致樁頂應(yīng)力增大，相應(yīng)在樁頂可能會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，對樁體加固效果有不利影響.因此，在復(fù)合地基設(shè)計時，應(yīng)特別注意褥墊層厚度不夠引起此方面的問題.

2.2 褥墊層模量的影響

本次計算參數(shù)和計算區(qū)域與前面相同，墊層厚度取h＝200mm，褥墊層模量分4個等級Esc＝30MPa，50MPa，70MPa，90MPa.

由圖7可知，當(dāng)褥墊層模量恒定時，豎向荷載越大復(fù)合地基沉降量越大，當(dāng)荷載不大的時候呈現(xiàn)線性變化，但是在繼續(xù)加載到較大的情況時開始呈現(xiàn)出非線性的變化.當(dāng)荷載相同時，褥墊層模量越大復(fù)合地基沉降量越小，這與文獻(xiàn)［11］及文獻(xiàn)［1］中所得結(jié)論相同.褥墊層模量處于30MPa，50MPa，70MPa范圍內(nèi)時，基礎(chǔ)沉降量的減小程度比較明顯；但是當(dāng)褥墊層模量處于70MPa，90MPa范圍內(nèi)時，基礎(chǔ)沉降量減小趨勢明顯降低，當(dāng)褥墊層模量繼續(xù)增大，基礎(chǔ)沉降量會越來越少并趨于一個平衡值，這是因為褥墊層模量較大，導(dǎo)致褥墊層過“硬”，樁體不能較好地刺入褥墊層中，不能在褥墊層中形成塑性區(qū)，因此褥墊層的沉降量也會明顯減少.

圖7 墊層模量與沉降的關(guān)系

由圖8可知，褥墊層模量與樁土應(yīng)力比約成線性比例關(guān)系，隨著褥墊層模量增大，樁土應(yīng)力比的變化速率減少，因此褥墊層的模量不宜過大，過高的褥墊層模量并不能很好地改變樁土應(yīng)力比的分擔(dān)情況，但褥墊層模量的改變?nèi)匀粫绊憳锻翍?yīng)力比，設(shè)計時也可以將之當(dāng)作調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比的一種方法.此分析結(jié)論與文獻(xiàn)［11］中相同.由此可得，褥墊層模量可以在一定范圍內(nèi)對樁土應(yīng)力比有調(diào)節(jié)作用，但是如果褥墊層模量設(shè)計得過高，樁土應(yīng)力比改變并不明顯，反而容易增加投資，設(shè)計時應(yīng)多加注意.

圖8 墊層模量與應(yīng)力比的關(guān)系

3 結(jié) 論

通過對CFG 復(fù)合地基中褥墊層厚度的理論分析及運(yùn)用FLAC－3D 對不同褥墊層參數(shù)下CFG 樁復(fù)合地基的數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：

2）合理設(shè)計褥墊層的參數(shù)可以有效調(diào)節(jié)樁土荷載分擔(dān)比例，減少樁頂?shù)膽?yīng)力集中現(xiàn)象，從而可以保證樁土共同承擔(dān)荷載，降低地基處理的成本，很好地起到加固地基的作用.

［1］ 張建偉，戴自航.CFG 樁復(fù)合地基褥墊層效用的有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2005，26（增刊）：171－174.

［2］ 閻明禮，張東剛.CFG 樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實踐［M］.第2版.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］ 龔曉南.復(fù)合地基［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1992.

［4］ 王中士，黃香山，王平安.褥墊層對CFG 樁復(fù)合地基沉降的影響［J］.巖土工程界，2008，11（5）：31－33.

［5］ 王年云.復(fù)合地基上褥墊層設(shè)計理論分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1999（12）：24－26.

［6］ 王年云.剛性樁復(fù)合地基設(shè)計的討論［J］.武漢城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，1999，16（6）：44－47.

［7］ 張 羽，林才奎，洪寶寧.CFG 樁復(fù)合地基墊層的作用機(jī)理和設(shè)計研究［J］.公路與汽運(yùn)，2004，3（5）：91－93.

［8］ 楊麗君，顧曉林.CFG 樁復(fù)合地基中褥墊層的作用研究［J］.四川建筑，2002，25（2）：52－53.

［9］ 楊素春.CFG 樁樁土應(yīng)力比及褥墊層厚度研究［J］.工業(yè)建筑，2004，34（6）：44－47.

［10］閻明禮，吳春林，楊 軍.水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，1996，18（2）：55－62.

［11］王瑞芳，雷學(xué)文.剛性樁復(fù)合地基應(yīng)力及沉降規(guī)律數(shù)值分析［J］.工業(yè)建筑，2004，34（ll）：49－53.