土工格室+階梯型變截面及等截面樁復合地基承載性狀對比研究

王 寧，劉 杰，王 威，仵永杰，王勤富

（湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

土工格室+階梯型變截面及等截面樁復合地基承載性狀對比研究

王 寧，劉 杰，王 威，仵永杰，王勤富

（湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

利用FLAC3D數(shù)值仿真軟件，建立土工格室-樁-樁周土相互作用數(shù)值仿真模型，對比分析土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基的承載性狀。研究結(jié)果表明：土工格室+階梯型變截面樁復合地基的樁體平均沉降、土體平均沉降及樁土平均沉降均小于土工格室+等截面樁復合地基。

土工格室；階梯型性變截面樁；等截面樁；數(shù)值模擬

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和科學技術(shù)的日新月異，社會對于高速公路、高速鐵路、高層建筑的需求越來越大。與此同時，江、河、湖、海的防洪堤、防波堤及港口碼頭、機場、車站等基礎(chǔ)設(shè)施大量興建。在工程建設(shè)中，對不良地基的加固要求越來越高，對地基沉降變形的控制要求也越來越嚴格。土工格室+樁這種雙向增強復合地基，一般由水平向增強體、豎向樁體和樁間土體3部分組成。各組成部分共同作用形成一個完整的承載系統(tǒng)，兼有水平向增強體復合地基和豎向增強體復合地基的優(yōu)勢。因而可大幅度提高地基承載力、減小地基沉降、增強地基穩(wěn)定性。馬繽輝[1]研究了土工格室+碎石樁雙向增強復合地基承載特性及沉降計算。蔣鵬飛等[2-6]將土工格室+碎石樁應(yīng)用于高速公路軟基處理中，針對高速公路的特點，進行了一系列室內(nèi)外試驗和相關(guān)理論研究，并取得了理論和應(yīng)用方面的一些成果。張忠苗等[7-11]研究了變截面樁的荷載傳遞性質(zhì)及變形特性，并指出變截面樁具有受力合理、沉降量小的優(yōu)點。

關(guān)于土工格室+樁復合地基的研究，都是建立在等截面樁的基礎(chǔ)上，而對于采用階梯型變截面樁的研究還鮮有報道。階梯型變截面樁是一種樁身截面隨樁身長度呈階梯形變化的樁。階梯型變截面樁樁身軸力分布更符合軸力隨深度向下呈上大下小的特點。為此，本文對土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基的荷載-沉降曲線進行數(shù)值模擬，以探討土工格室+階梯型變截面樁復合地基的承載特性。

1 數(shù)值建模

本次數(shù)值模擬采用美國Itasca Consulting Group Inc. 研發(fā)的連續(xù)介質(zhì)力學分析軟件FLAC3D，土體、碎石墊層及土工格室相關(guān)參數(shù)參照文獻[12-13]中取值（詳見表1～3），并將土體考慮為勻質(zhì)連續(xù)體。

表1 土的物理力學參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

表2 碎石的物理力學參數(shù)Table 2 Physical-mechanical parameters of macadam

表3 土工格室的物理力學參數(shù)Table 3 Physical-mechanical parameters of geocell

1.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

本次數(shù)值模擬采用9樁模型，矩形布樁。根據(jù)他人研究經(jīng)驗、方法及本模型的樁長、樁間距等相關(guān)參數(shù)，確定數(shù)值模擬模型的計算深度為30 m，長、寬各為12 m；階梯形變截面樁采用在樁身中部位置變化截面。樁體等相關(guān)計算參數(shù)見表4，荷載板尺寸長、寬各為2.7 m，根據(jù)對稱性選取其1/4建立模型。用實體單元對土體、樁體、碎石墊層、土工格室及荷載板進行模擬，通過對模型中厚度與土工格室相同的一部分實體單元賦予一定的力學參數(shù)來等效代替土工格室，在樁體與土體之間建立接觸面。

表4 樁體尺寸參數(shù)Table 4 Dimension parameters of piles

本模型底部施加 方向約束，上表面為自由面，模型側(cè)面采用水平約束。土體、碎石墊層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，荷載板及樁體采用Elastic彈性各向同性模型，土工格室的強度等效體也采用Mohr-Cou1omb彈塑性模型。

1.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)相關(guān)土體物理力學參數(shù)，計算選取的模擬參數(shù)見表5。

表5 土體模型計算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of model soil

樁體采用PC樁，密度為2 500 kg/m3，彈性模量為2.8×1010Pa，泊松比為0.20。荷載板按鋼材參數(shù)取值，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.25。

加載過程：根據(jù)真實模型試驗的加載經(jīng)驗，本次數(shù)值模擬加載采用快速加載法。采用STEP命令控制時步的計算方法，每級荷載計算時步數(shù)均相同，荷載共分為10級。

2 計算結(jié)果分析

2.1 樁頂荷載-平均沉降分析

對土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基中，群樁在各級荷載作用下樁頂沉降量取平均值，繪制荷載-沉降曲線，見圖1。

圖1 樁的荷載-平均沉降曲線Fig. 1 Load-average settlement curves of piles

由圖1可知：1）土工格室+階梯型變截面樁復合地基樁與土工格室+等截面樁復合地基樁的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線；2）在相同荷載作用下，土工格室+階梯型變截面樁復合地基樁的平均沉降小于土工格室+等截面樁復合地基樁的平均沉降；3）隨著荷載的增大，2種復合地基中，樁之間的平均沉降量差值逐漸增大。

以上現(xiàn)象表明：在相同地質(zhì)條件下，土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基相比，前者能更好地減小地基沉降，提高復合地基承載力。

2.2 土體荷載-平均沉降分析

對土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基土體在各級荷載作用下的沉降量取平均值，繪制荷載-平均沉降曲線，如圖2所示。

圖2 復合地基土體的荷載-平均沉降曲線Fig. 2 Load-average settlement curves of soil in composite foundation

由圖2可知：1）土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基土體的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線；2）在相同荷載作用下，土工格室+階梯型變截面樁復合地基土體的平均沉降均小于土工格室+等截面樁復合地基土體的平均沉降；3）當荷載較小時（小于165 kN），土工格室+階梯型變截面樁復合地基土體的平均沉降與土工格室+等截面樁復合地基土體的平均沉降基本相同；4）隨著荷載的進一步增加，土工格室+階梯型變截面樁復合地基土體的平均沉降增長速率變緩，其增長速率小于土工格室+等截面樁復合地基土體的平均沉降的增長速率。

2.3 樁土荷載-平均沉降分析

對土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基樁土沉降量，在各級荷載作用下取平均值，繪制荷載-平均沉降曲線，如圖3所示。

圖3 復合地基樁土荷載-平均沉降曲線Fig. 3 Load-average settlement curve of pile-soil in composite foundation

由圖3可知：1）土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基樁土荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線；2）相同荷載作用下，土工格室+階梯型變截面樁復合地基的平均沉降均小于土工格室+等截面樁復合地基的平均沉降；3）在較大荷載作用下，土工格室+階梯型變截面樁復合地基的平均沉降比土工格室+等截面樁復合地基的平均沉降小；4）隨著荷載的進一步增加，土工格室+階梯型變截面樁復合地基樁土的平均沉降增長速率均小于土工格室+等截面樁復合地基樁土的平均沉降的增長速率。

以上現(xiàn)象表明：在相同地質(zhì)條件下，土工格室+階梯型變截面樁復合地基與土工格室+等截面樁復合地基相比，前者能更有效地減小地基沉降，提高復合地基承載力，且荷載越大其優(yōu)勢越明顯。

3 結(jié)論

1）土工格室+階梯型變截面樁復合地基及土工格室+等截面樁復合地基的荷載-平均沉降曲線均為緩變形曲線；在平均直徑相同的條件下，土工格室+階梯型變截面樁復合地基的樁體平均沉降、土體平均沉降及樁土平均沉降均比土工格室+等截面樁復合地基的小。

2）隨著荷載的增加，土工格室+階梯型變截面樁復合地基的平均沉降增長速率小于土工格室+等截面樁復合地基的平均沉降增長速率，前者比后者減小沉降的優(yōu)勢更加明顯。

本次數(shù)值模擬的階梯形變截面樁采用的變徑比為0.5。不同變徑比的階梯形變截面樁對土工格室+階梯型變截面樁復合地基的影響，以及能夠最大限度提高土工格室+階梯型變截面樁復合地基的整體承載能力的最佳變徑比的確定還有待進一步研究。

參考文獻：

[1]馬繽輝. 土工格室+碎石樁雙向增強復合地基承載特性及沉降計算研究[D]. 長沙：湖南大學，2011. Ma Binhui. The Research on Bearing Characteristic and Settlement of Composite Foundation Bidirectionally Reinforced by Stone Columns and Geocell[D]. Changsha：Hunan University，2011.

[2]蔣鵬飛，陳昌富，趙明華，等. 土工格室墊層+碎石樁復合地基在高速公路軟基處理中的應(yīng)用與研究[J]. 公路，2006(4)：135-139. Jiang Pengfei，Chen Changfu, Zhao Minghua，et al. Application and Research on Geocell and Gravel Pile Composite Foundation in Soft Ground Treatment in Expressway[J]. Highway，2006(4)： 135-139.

[3]趙明華，陳艷平，陳昌富，等. 土工格室+碎石墊層結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性分析[J]. 湖南大學學報：自然科學版，2003，30(2)：68-72. Zhao Minghua，Chen Yanping，Chen Changfu，et al. Stability Analysis of Geocell+Gravel Cushion Structure [J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2003，30(2)：68-72.

[4]趙 明. 碎石樁復合地基理論分析與試驗研究[D]. 長沙：湖南大學，2002. Zhao Ming. Theoretical Analysis and Test Research on Rushed Stone Pile Composite Foundation[D]. Changsha：Hunan University，2002.

[5]方衛(wèi)民，王炳龍，周順華. 不同高度土工格室整治路基病害的試驗研究[J]. 大壩觀測與土工測試，2000，24(6)：47-48，51. Fang Weimin，Wang Binglong，Zhou Shunhua. Experimental Study on Ill-Roadbed Treatment by Geocell of Different Heights[J]. Dam Observation and Geotechnical Tests，2000，24(6)：47-48，51.

[6]郭燕平. 土工格室柔性筏基加固淺層軟弱地基試驗研究[J]. 山西交通科技，2001(3)：3-5，8. Guo Yanping. Test Research of Earthwork Flexibility Raft Foundation Strengthening Shallow Soft Subgrade[J]. Shanxi Science & Technology of Communications，2001(3)：3-5，8.

[7]張忠苗，喻 君，張廣興，等. PHC管樁和預制方樁受力性狀試驗對比分析[J]. 巖土力學，2008，29(11)： 3059-3065. Zhang Zhongmiao，Yu Jun，Zhang Guangxing，et al. Contrastive Experimental Analysis of Bearing Behaviors of PHC Pile and Precast Square Piles[J]. Rock and Soil Mechanics，2008，29(11)：3059-3065.

[8]劉漢龍，譚慧明，彭 劼，等. 大型樁基模型試驗系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 巖土工程學報，2009，31(3)：452-457. Liu Hanlong，Tan Huiming，Pengjie，et al. Development of Large Scale Pile Foundation Model Test System[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(3)：452-457.

[9]胡培進，汪中衛(wèi)，李 強. 變截面樁的力學性能及工程意義[J]. 上海地質(zhì)，2007(3)：27-31，58. Hu Peijin，Wang Zhongwei，Li Qiang. Mechanical Property and Engineering Significance for Variable Cross-Section Pile [J]. Shanghai Geology，2007(3)：27-31，58.

[10]黃禮勝，崔 斌，何愛波，等. 變截面與等截面管樁復合地基承載特性對比研究[J]. 湖南工業(yè)大學學報，2015，29 (1)：24-28. Huang Lisheng，Cui Bin，He Aibo，et al. Comparative Research of Bearing Characteristics of the Composite Foundation with Variable Section and Uniform Section Pipe-Piles[J]. Journal of Hunan University of Technology，2015，29(1)：24-28.

[11]王俊煒，楊慶光，劉 杰，等. 靜壓閉口變截面管樁承載性狀模型試驗研究[J]. 湖南工業(yè)大學學報，2013，27(6)：18-21. Wang Junwei，Yang Qingguang，Liu Jie，et al. Model Test Study on Bearing Behavior of Hydrostatic Closed Variable Cross-Section Pipe-Pile[J]. Journal of Hunan University of Technology，2013，27(6)：18-21.

[12]何 杰. 路堤荷載下土工格柵-夯實水泥土楔形樁復合地基承載機理研究[D]. 長沙：中南大學，2012. He Jie. Study on Bearing Behaviour of Composite Foundation with Geogrids and Rammed Soil-Cement Tapered Columns [D]. Changsha：Central South University，2012.

[13]曹祚省. 夯實水泥土楔形樁復合地基承載特性研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學，2014. Cao Zuoxing. Research on Bearing Behaviour of Composite Foundation with Rammed Tapered Cement-Soil Column[D]. Zhuzhou：Hunan University of Technology，2014.

（責任編輯：鄧光輝）

Comparative Study on Bearing Behaviors of Composite Foundations with Geocell + Step Variable Section Pile and Geocell + Constant Section Pile

Wang Ning，Liu Jie，Wang Wei，Wu Yongjie，Wang Qinfu
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Establishes the numerical simulation model for interaction of geocell, piles and soil around piles by simulation software FLAC3D, contrasts and analyzes the bearing capacities of the composite foundation with geocell + step variable section piles and the composite foundation with geocell + constant section piles. The results indicate that the composite foundation of geocell + step variable section piles is superior to that of geocell + constant section piles in average pile settlement, soil settlement and pile-soil settlement.

geocell；step variable section pile；constant section pile；numerical simulation

TU473

A

1673-9833(2015)05-0015-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.004

2015-08-12

湖南省自然科學基金資助項目（2015JJ5017）

王 寧（1987-），男，河南洛陽人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為復合地基技術(shù)，E-mail：804252868@qq.com