濕陷性黃土地區(qū)復(fù)合地基沉降量分析研究

王斌 韋正鵬

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

黃土作為一種特殊性土，其特性主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性、欠壓密性以及濕陷性。其中，濕陷性是黃土的核心特征，具體表現(xiàn)在，土體在受到水的浸入后，由于上覆土層的自重應(yīng)力作用，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力的共同作用下，土體結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞并產(chǎn)生明顯的附加下沉[1]。甘肅省濕陷性黃土主要分布在隴西及隴東地區(qū)。該地區(qū)濕陷性黃土具有分布廣，濕陷性黃土層厚度通常大于10m，地基濕陷等級(jí)多為Ⅲ、Ⅳ級(jí)，濕陷性敏感程度大，對(duì)工程建設(shè)的危害程度較大[2]。

甘肅省境內(nèi)G6京藏高速公路蘭海段位于濕陷性黃土地區(qū)，路基沉陷最為嚴(yán)重，養(yǎng)護(hù)單位對(duì)沉陷路段連年進(jìn)行維修處治，在通車運(yùn)營(yíng)期間，有多處工點(diǎn)累計(jì)沉降超過50cm，甚至處治后有繼續(xù)沉降趨勢(shì)，成為甘肅公路養(yǎng)護(hù)工程中的頑疾。在2012年至2014年相繼通車的雷西高速、西長(zhǎng)鳳高速、營(yíng)雙高速均有不同程度的沉陷病害，嚴(yán)重影響道路行車安全性，同時(shí)也造成一定程度的安全隱患。

1 復(fù)合地基變形計(jì)算分析方法

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合地基變形計(jì)算的主要方法有解析法、規(guī)范法、數(shù)值分析法等。

解析法[3]大多以Mindlin解為基礎(chǔ)的Geddes積分作為復(fù)合地基中樁體荷載在土中所產(chǎn)生的附加應(yīng)力計(jì)算公式，以此利用分層總和法等對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行沉降計(jì)算。

規(guī)范法主要依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007）相關(guān)規(guī)定[4]，根據(jù)各地區(qū)沉降觀測(cè)資料確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，計(jì)算復(fù)合地基沉降結(jié)果。

數(shù)值分析法是目前復(fù)合地基變形計(jì)算的常用方法，其主要依據(jù)有限元法和有限差分法等原理，按照實(shí)際工況建立相對(duì)應(yīng)的復(fù)合地基模型。模型中結(jié)合邊界條件、樁土本構(gòu)模型以及施加荷載等要素，較為直觀地計(jì)算復(fù)合地基的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)。

2 復(fù)合地基模型沉降量分析

G6京藏高速公路蘭海段于2002年通車運(yùn)營(yíng)以來，多年來受降雨等多方面原因，造成該段高速公路路基沉降較為嚴(yán)重，為了保障公路暢通，2017年，養(yǎng)護(hù)部門對(duì)水毀造成的病害進(jìn)行修復(fù)完善，對(duì)新舊路基拼接處的不穩(wěn)定沉降及濕陷性黃土路段的不均勻沉降采用干拌水泥碎石樁、高壓旋噴樁等方法進(jìn)行處治。

本文以蘭海段復(fù)合地基處理工程為依托，通過數(shù)值分析的方法計(jì)算復(fù)合地基在車輛荷載與復(fù)合地基自重作用下的沉降量情況，結(jié)合實(shí)際工程的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值分析的合理性。

2.1 計(jì)算模型建立

在樁基設(shè)計(jì)施工中，群樁一般采用等邊三角形布置或正方形布置，兩者均為軸對(duì)稱形式，該類布樁形式的特點(diǎn)是受力呈軸對(duì)稱體系。因此，在建模分析中，可建立1/4模型對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行計(jì)算分析[5]。

結(jié)合蘭海段復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案，本文建立模型選取的主要尺寸參數(shù)為：成樁直徑60cm，樁間距150cm，樁體按照正方形形式布置，需加固區(qū)土層深度12m（假定模型12m深度以下土層為穩(wěn)定土層）。模型尺寸參數(shù)為：長(zhǎng)6m，寬6m，深18m。

圖1 1/4模型示意圖

為探索樁基在深入穩(wěn)定土層不同深度情況下的地基處理效果，模型按照五種工況建立，分別為：樁基深入穩(wěn)定土層0m、0.5m、1m、1.5m以及2m。具體模型如下圖所示：

圖2 深入穩(wěn)定土層不同深度工況下的數(shù)值模型

2.2 模型材料參數(shù)

復(fù)合地基數(shù)值分析在選擇計(jì)算模型時(shí)一般遵循如下假設(shè)：同種材料為均勻、各向同性體，地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性模型[6]。樁體與加載板之間、樁體與樁周土之間均設(shè)置耦合彈簧接觸，以此來模擬兩者之間的相對(duì)移動(dòng)。

在FLAC3D[7]摩爾-庫(kù)侖模型中，需要的參數(shù)包括：體積模量K（bulk）、剪切模量G（shear）、粘聚力（cohesion）、內(nèi)摩擦角（friction）以及密度（density）。體積模量K、剪切模量G和彈性模量E及泊松比ν之間又存在如下關(guān)系：

表1 需加固區(qū)土體參數(shù)

2.3 確定施加荷載

與建筑方面復(fù)合地基處理不同，公路復(fù)合地基主要承受車輛荷載與復(fù)合地基自重，且車輛荷載具有瞬時(shí)性，同時(shí)其荷載大小基本為定值（可視為單個(gè)輪胎對(duì)樁基施加荷載）。因此，在數(shù)值模擬中，應(yīng)結(jié)合道路實(shí)際情況，規(guī)范計(jì)算施加于樁基頂面的荷載。

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50）規(guī)定，路面設(shè)計(jì)應(yīng)采用軸重為100KN的單軸-雙輪組軸載作為設(shè)計(jì)軸載。單個(gè)輪胎的軸重為25KN，樁基直徑D=60cm，由此計(jì)算出單個(gè)輪胎對(duì)樁基頂面的接地壓強(qiáng)為88.42kPa。因此，在模擬分析中，對(duì)樁基頂面施加豎直向下88.42kPa的壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。

2.4 復(fù)合地基模型沉降分析計(jì)算

計(jì)算分析過程中，監(jiān)測(cè)1#、2#、3#、4#樁以及樁間土相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的各向位移（著重考慮豎向位移）。觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移在應(yīng)力持續(xù)作用情況下的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 樁深入穩(wěn)定土0m、2m工況下4#樁的豎向位移變化

從圖3可以看出，4#樁樁體在分別深入穩(wěn)定土層0m和2m工況下，樁體均會(huì)產(chǎn)生不同程度的沉降，其中在深入穩(wěn)定土層0m時(shí)，樁體最終沉降1.81cm，在深入穩(wěn)定土層2m時(shí)，樁體最終沉降1.36cm。

整個(gè)沉降過程可以分為兩個(gè)時(shí)間段，在前1/3時(shí)段為沉降幅度最大的時(shí)間段，在后2/3時(shí)段，沉降幅度急劇下降，位移逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

從圖4中可以看出，1#樁樁體在分別深入穩(wěn)定土層0m、0.5m、1m、1.5m以及2m工況下，樁體達(dá)到穩(wěn)定平衡條件時(shí)的最終沉降量分別為1.81cm、1.71cm、1.58cm、1.51cm以及1.40cm。隨著樁體深入穩(wěn)定土層深度逐漸的增加，樁在達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)時(shí)的最終沉降量也明顯降低。因此在地基承載能力要求較高的路段施工時(shí)，要確保樁體深入穩(wěn)定土層的深度達(dá)到一定的要求。

復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法有多種，其中一種是將樁和樁間土分開考慮，然后將各自的承載力按照一定的原則組合疊加得到復(fù)合地基的承載力。本次分析中，為探究樁間土在應(yīng)力持續(xù)作用下的應(yīng)變情況，計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)了3#樁與4#樁直線段落上樁間土的應(yīng)變情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為點(diǎn)B、C、D、E、F、G以及H（如圖5所示）。

計(jì)算結(jié)果顯示，相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移值分別為：-1.3722cm、-1.3501cm、-1.3416cm、-1.3355cm、-1.3342cm、-1.3370cm以及-1.3557cm（樁深入穩(wěn)定土2m工況下），相應(yīng)工況下3#樁與4#樁的豎向位移分別為-1.375cm與-1.358cm（如下圖所示）。監(jiān)測(cè)點(diǎn)中最大沉降量與最小沉降量之差為0.041cm，由此可以看出，在應(yīng)力持續(xù)作用下，復(fù)合地基的沉降量基本一致?？杀苊庠谲囕v荷載作用下路基產(chǎn)生的不均勻沉降現(xiàn)象，地基處理效果較為理想。

圖4 1#樁在不同工況下的豎向沉降量

圖5 樁間土監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 樁深入穩(wěn)定土2m工況下樁間土豎向位移變化情況

2.5 蘭海段復(fù)合地基沉降觀測(cè)分析

在蘭海段復(fù)合地基施工過程中，為確保施工質(zhì)量，路基部分采用瑞雷面波的方法進(jìn)行施工控制。具體觀測(cè)方案為：在控制位置的每條車道的中間位置設(shè)定沉降觀測(cè)點(diǎn)，每隔15天觀測(cè)一次，計(jì)算總沉降量。

圖7 瑞雷面波現(xiàn)場(chǎng)采集圖

選取其中五處路基處理觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，復(fù)合地基的最終監(jiān)測(cè)的沉降量大致在15mm左右，與計(jì)算模型分析結(jié)果大體一致。由此可以說明，計(jì)算模型的建立與參數(shù)的選擇相對(duì)合理。

3 結(jié)語

本章結(jié)合FLAC3D原理，在設(shè)計(jì)軸載作用下，對(duì)樁基深入穩(wěn)定土層不同深度工況下的復(fù)合地基沉降量變化進(jìn)行分析計(jì)算，主要得到以下結(jié)論。

1）整個(gè)沉降過程可以分為兩個(gè)時(shí)間段，在前1/3時(shí)段為沉降幅度最大的時(shí)間段，在后2/3時(shí)段，沉降幅度急劇下降，位移逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。說明在復(fù)合地基服役前期，隨著車輛荷載與復(fù)合地基自重的雙重作用，樁體與樁周土之間的擠密程度進(jìn)一步改善，有效提高了路基的承載能力。

圖8 各工點(diǎn)沉降觀測(cè)分析

2）樁體在分別深入穩(wěn)定土層0m、0.5m、1m、1.5m以及2m工況下，樁體達(dá)到穩(wěn)定平衡條件時(shí)的最終沉降量分別為1.81cm、1.71cm、1.58cm、1.51cm以及1.40cm。隨著樁體深入穩(wěn)定土層深度逐漸的增加，樁在達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)時(shí)的最終沉降量也明顯降低。

3）監(jiān)測(cè)樁體與樁間土在設(shè)計(jì)軸載作用下的沉降量，結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)中最大沉降量與最小沉降量之差為0.041cm，由此可以看出，在軸載持續(xù)作用下，復(fù)合地基的沉降量基本一致。成樁直徑60cm，樁間距150cm的布樁設(shè)計(jì)較為合理。

4）結(jié)合蘭海段路基處理實(shí)際工況，由實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，復(fù)合地基的最終監(jiān)測(cè)的沉降量大致在15mm左右，與計(jì)算模型分析結(jié)果大體一致。