強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基處理效果

曾華健，潘 忱

(江蘇省巖土工程公司， 江蘇 南京 210009)

隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的發(fā)展，越來(lái)越多的物流倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房投入建設(shè)，為了便于貨物的運(yùn)輸，常常需要在軟弱土層上修建大型倉(cāng)儲(chǔ)物流庫(kù)房，此時(shí)對(duì)地基的沉降和差異沉降等提出了更高的要求，而復(fù)合地基由于其施工工期短和較好地控制地基沉降的優(yōu)點(diǎn)使得其在軟土地基處理中被廣泛使用[1]。學(xué)者們和工程技術(shù)人員已經(jīng)對(duì)不同的單一樁型復(fù)合地基處理軟土地基的效果進(jìn)行了大量的研究[2-4]，如Hong等[5]在研究復(fù)合地基沉降特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)分析方法給出了改進(jìn)的靜載試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)早期地預(yù)測(cè)復(fù)合地基工后沉降；胡海英等[6]通過(guò)合理的假設(shè)和理論分析，給出了基于沉降控制的剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)方法；等等。

然而由于工程中對(duì)復(fù)合地基沉降的要求越來(lái)越高，單一樁型有時(shí)無(wú)法滿足工程需求，人們開(kāi)始尋求采用多樁型組合的復(fù)合地基形式，以克服單一樁型的局限性[7-8]，如陳麗[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了剛?cè)峤M合樁處理深厚軟基的變形特性。CFG樁[10-11]和碎石樁[12]已被廣泛應(yīng)用在復(fù)合地基中，而強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基即為一種新型的多樁型組合的復(fù)合地基[13]，查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)目前強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基的研究主要是針對(duì)其工程特性和設(shè)計(jì)影響因素[14]方面，如茍波[15]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算研究了該類型復(fù)合地基樁體應(yīng)力和沉降的變化規(guī)律，而現(xiàn)階段關(guān)于強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基的適用性和處理效果研究較少，尤其是在大型大面積倉(cāng)儲(chǔ)地基處理中應(yīng)用鮮見(jiàn)報(bào)道。本文擬通過(guò)對(duì)工程背景和地質(zhì)情況分析，根據(jù)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基的施工方法和施工參數(shù)，利用PLAXIS 3D有限元軟件建立簡(jiǎn)化的三維模型，對(duì)地基處理后不同荷載作用下倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)地地坪結(jié)構(gòu)層的沉降和差異沉降情況進(jìn)行計(jì)算，研究在某擬建物流倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)地中采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行軟土地基處理的效果，以供類似工程借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆明市某擬建物流倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)地，四面環(huán)路，場(chǎng)地呈長(zhǎng)方形，總占地面積118 900.58 m2。項(xiàng)目分兩期建設(shè)，一期工程包含1號(hào)庫(kù)房、2號(hào)庫(kù)房、設(shè)備房、維修間、綜合樓及門(mén)衛(wèi)，用地面積63 696.98 m2；二期工程包含3號(hào)庫(kù)房、4號(hào)庫(kù)房及門(mén)衛(wèi)，用地面積55 203 m2。其中4號(hào)庫(kù)擬采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基方式進(jìn)行地基處理，目的是解決地基沉降問(wèn)題，并為后續(xù)土建進(jìn)場(chǎng)施工提供地面整平條件。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)場(chǎng)地勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層主要是：

①素填土，為場(chǎng)地整平時(shí)回填，成份主要由黏性土夾含碎石、角礫及砂土等組成，結(jié)構(gòu)松散，填埋時(shí)間短，大部分為年內(nèi)回填。

②耕土層，力學(xué)性質(zhì)及狀態(tài)均較差，厚度薄。

③黏土層，沖洪積成因，狀態(tài)較好，力學(xué)強(qiáng)度及抗變形能力一般，層頂埋深2.50 m～0.50 m，層厚5.10 m～2.30 m。

④黏土，力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均較好，抗變形能力稍好，層頂埋深9.50 m～10.50 m，層厚5.10 m～2.30 m。

④-2泥炭質(zhì)土層，力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均相對(duì)較差，呈薄層或透鏡體狀，連續(xù)性較差，屬深下部較差的軟弱夾層。

⑤黏土層，力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均一般，抗變形能力稍好，層頂埋深9.50 m～10.50 m，層厚5.10 m～2.30 m。

⑤-1圓礫層，力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均相對(duì)較好，抗變形能力稍高，層頂埋深5.10 m～2.80 m，平均層厚4.30 m,分布連續(xù)。

勘察期經(jīng)量測(cè)，所有鉆孔均觀測(cè)到穩(wěn)定地下水，測(cè)得鉆孔地下水位初見(jiàn)水位在1.60 m～4.50 m之間，穩(wěn)定水位在2.00 m～5.50 m之間，地下水呈由高向低、由東向西流動(dòng)趨勢(shì)。

2 加固原理

強(qiáng)夯碎石樁將強(qiáng)夯法與置換法有機(jī)的結(jié)合，通過(guò)將強(qiáng)度高、透水性好的碎石等材料夯入地基中，形成柱狀樁體，從而與地基土形成復(fù)合地基。強(qiáng)夯碎石樁可以置換土體和促進(jìn)地基土排水固結(jié)，對(duì)土體還有一定的振密作用，有效地消除沙土液化。

CFG樁(Cement Fly-ash Gravel，CFG)即水泥粉煤灰碎石樁是一種介于剛性樁與柔性樁之間的可變強(qiáng)度樁，主要是通過(guò)樁體的擠密效應(yīng)達(dá)到提高地基承載力和減小沉降的目的，且利用水泥的膠結(jié)作用使樁身材料凝固成一個(gè)整體，從而發(fā)揮全樁長(zhǎng)的側(cè)阻作用，有效地將荷載傳遞到樁底。

這兩種樁的組合應(yīng)用，具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 通過(guò)強(qiáng)夯置換法加強(qiáng)了表層土土體強(qiáng)度，加大了樁間土的密度，為復(fù)合地基提供更大的側(cè)向附加應(yīng)力，保護(hù)碎石樁樁體不因膨脹而破壞。

(2) 可以充分發(fā)揮碎石樁排水、擠密的功能，加速地基土的固結(jié)。

(3) 利用CFG樁的整體性，滿足了地基承載力與沉降的要求。

強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基不僅可以充分發(fā)揮強(qiáng)夯碎石樁和CFG樁的優(yōu)勢(shì)，而且能有效彌補(bǔ)另一樁型的缺點(diǎn)，因此對(duì)沉降要求較高的大型倉(cāng)儲(chǔ)物流庫(kù)房的地基處理中具有明顯的優(yōu)勢(shì)和較好的適用性。

3 有限元計(jì)算

考慮該大型物流倉(cāng)儲(chǔ)中心將存放大量物品，對(duì)地基產(chǎn)生較大的荷載作用，因此本節(jié)將利用PLAXIS 3D有限元軟件，通過(guò)計(jì)算分析強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基形式對(duì)該大型倉(cāng)儲(chǔ)進(jìn)行地基處理的效果，為施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 計(jì)算方案

本文采用有限元軟件計(jì)算地基的沉降情況和差異沉降對(duì)地坪結(jié)構(gòu)層的影響，從而分析強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行軟土地基處理的效果。因此計(jì)算方案主要包括如下內(nèi)容：

(1) 首先分別計(jì)算該場(chǎng)地不進(jìn)行地基處理(工況1)、僅采用強(qiáng)夯碎石樁復(fù)合地基(工況2)、僅采用CFG樁復(fù)合地基(工況3)和強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基(工況4)處理的四種地基處理方式條件下，在30 kN/m2的面荷載作用下的沉降和差異沉降情況，以分析不同地基處理方式的效果。

(2) 然后計(jì)算該場(chǎng)地在強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基處理方式條件下，于地坪結(jié)構(gòu)層上分別施加10 kN/m2～50 kN/m2的面荷載作用下的沉降和差異沉降情況，以分析強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基處理方式在大面積倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)地中應(yīng)用的效果。

3.2 模型的建立

3.2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形和地質(zhì)條件，考慮倉(cāng)儲(chǔ)物流中心面積較大，為便于計(jì)算，對(duì)4號(hào)庫(kù)房地基進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取泥炭質(zhì)土層最厚的位置處3×3根碎石樁與2×2根CFG樁組成的復(fù)合地基模型進(jìn)行計(jì)算，則計(jì)算模型平面為3倍樁間距，即邊長(zhǎng)取12 m。根據(jù)地質(zhì)勘查鉆孔揭示土層，地質(zhì)條件自上向下依次為素填土(厚4.5 m)、黏土層1(厚8 m)、泥炭質(zhì)土(厚7.5 m)和黏土層2(厚10 m)，地下水位在地表下2.5 m處，計(jì)算深度取30 m。

根據(jù)施方法和樁體特點(diǎn)，強(qiáng)夯碎石樁、墊層和地坪結(jié)構(gòu)層采用土體模型，強(qiáng)夯碎石樁樁長(zhǎng)6.0 m，CFG樁采用PLAXIS 3D有限元軟件自帶的Embedded樁模型，樁長(zhǎng)22.0 m，樁端反力取200 kN。

在建立計(jì)算模型后，首先計(jì)算初始地應(yīng)力，然后在初始地應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工工藝，依次激活強(qiáng)夯碎石樁和CFG樁，打樁過(guò)程采用“塑性分析”，并激活滑動(dòng)界面單元，然后采用“塑性分析”激活墊層、結(jié)構(gòu)層，最后施加均布面荷載，并通過(guò)“固結(jié)分析”計(jì)算復(fù)合地基及結(jié)構(gòu)層的在均布荷載作用10 a后的變形、應(yīng)力情況。

3.2.2 基本假設(shè)及參數(shù)

為便于計(jì)算，本文作出如下假設(shè)：

(1) 計(jì)算模型的受力和變形為平面應(yīng)變問(wèn)題。

(2) 計(jì)算中各土體以及墊層、碎石樁均服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，地坪結(jié)構(gòu)層服從線彈性屈服準(zhǔn)則。

根據(jù)地勘資料和相關(guān)文獻(xiàn)[9]，本文計(jì)算的土體、樁體和結(jié)構(gòu)層的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體和樁體物理力學(xué)參數(shù)

3.2.3 樁土接觸界面

由于樁體和土體剛度的不同，在有限元計(jì)算中，可以通過(guò)設(shè)置“界面單元”來(lái)聯(lián)結(jié)樁體和土體。界面單元的屬性與樁周土的強(qiáng)度參數(shù)有關(guān)。當(dāng)選擇摩爾-庫(kù)侖模型時(shí)，界面單元的性質(zhì)通過(guò)強(qiáng)度折減法系數(shù)Rinter和界面虛擬厚度來(lái)反映。本文假設(shè)Rinter=0.67。工程中，樁土之間的接觸沒(méi)有實(shí)際的界面厚度，且界面主要模擬的Goodman接觸單元同樣沒(méi)有厚度，同時(shí)PLAXIS 3D有限元軟件中土體本構(gòu)模型選擇摩爾-庫(kù)侖模型時(shí)界面虛擬厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，因此本文界面虛擬厚度取軟件默認(rèn)值0.1。

3.2.4 網(wǎng)格劃分

PLAXIS 3D有限元軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，其默認(rèn)采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)土體進(jìn)行劃分。本文所建模型主要為巖土體，因此采用軟件自帶網(wǎng)格劃分功能自動(dòng)針對(duì)計(jì)算模型生成網(wǎng)格，全局疏密度設(shè)置為中等。計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

3.3 邊界和滲流條件

采用PLAXIS 3D進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，需設(shè)置合理的位移邊界條件和水力邊界條件。

(1) 位移邊界條件。有限元計(jì)算模型中，底部邊界采用完全固定約束，即限制水平和豎向位移；三維模型中前后左右四個(gè)側(cè)面均采用法向固定約束，即限制水平方向位移，豎直向方位移自由；模型頂面設(shè)置邊界約束條件為完全自由。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

(2) 水力邊界條件。有限元模型中水力滲流邊界設(shè)定為頂面和前后左右側(cè)面滲流邊界為打開(kāi)狀態(tài)，底面滲流邊界均為關(guān)閉狀態(tài)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述有限元計(jì)算過(guò)程，計(jì)算并分析地基在均布荷載作用10年后的沉降情況和差異沉降對(duì)地坪結(jié)構(gòu)層的影響。

4.1 沉降與應(yīng)力分析

以在地坪結(jié)構(gòu)層施加面荷載30 kN/m2為例，對(duì)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基豎向位移云圖和地坪結(jié)構(gòu)層應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，如圖2所示。

當(dāng)施加面荷載為30 kN/m2時(shí)，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果云圖可知：

(1) 地基處理后模型中豎向位移最大值為22.3 mm，位于地坪結(jié)構(gòu)層角點(diǎn)處；隨著土層埋深的增大，豎向位移逐漸減小，當(dāng)土層埋深約大于20 m時(shí)，模型中土體基本不發(fā)生豎向位移。

(2) 由圖2(a)和圖2(b)可知，在荷載的作用下，復(fù)合地基產(chǎn)生一定的沉降，以及不同區(qū)域產(chǎn)生沉降差，反映在地坪結(jié)構(gòu)層即出現(xiàn)差異沉降。受到中心區(qū)域CFG樁作用，地坪結(jié)構(gòu)層表面的中心點(diǎn)位置沉降最小，為21.8 mm，角點(diǎn)處沉降最大，為22.3 mm，發(fā)生的差異沉降較小，僅為0.50 mm。

(3) 在差異沉降的影響下，地坪結(jié)構(gòu)層混凝土產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，由圖2(c)可知，結(jié)構(gòu)層中總應(yīng)力最大值為46.26 kPa，拉伸應(yīng)力較大時(shí)，容易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)層的開(kāi)裂。

4.2 不同地基處理工況下的沉降情況

為進(jìn)一步分析強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基的處理效果，分別計(jì)算不同處理工況下的地基沉降情況，即：

圖2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果云圖

(1) 工況1：不進(jìn)行地基處理。

(2) 工況2：僅采用強(qiáng)夯碎石樁復(fù)合地基，樁間距4.0 m，樁長(zhǎng)6.0 m，樁徑1.4 m，正方形布置。

(3) 工況3：僅采用CFG樁復(fù)合地基，樁間距4.0 m，樁徑0.4 m，正方形布置。

(4) 工況4：強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基處理，其中碎石樁樁間距4.0 m，樁長(zhǎng)6.0 m，樁徑1.4 m，正方形布置，CFG樁分布在碎石樁間，樁間距4.0 m，樁徑0.4 m，正方形布置。

計(jì)算4種工況在30 kN/m2的面荷載作用下的沉降和差異沉降情況，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：

(1) 4種工況中工況1最大沉降和差異沉降均最大，分別為335.7 mm和70.6 mm，表明該場(chǎng)地有必要進(jìn)行地基處理。

表2 不同工況沉降情況匯總

(2) 地基處理后，該場(chǎng)地地基沉降量明顯降低，且工況3沉降量明顯小于工況2沉降量，表明在該場(chǎng)地中CFG樁復(fù)合地基處理效果較強(qiáng)夯碎石樁更好，分析其原因是CFG樁穿過(guò)了軟弱土層，提高了整個(gè)地基的承載力，而強(qiáng)夯碎石樁僅加固了軟土上覆土層。

(3) 工況4的最大沉降量和差異沉降均明顯小于工況1、工況2和工況3，經(jīng)計(jì)算，工況4最大沉降量較前3種工況最大沉降分別減小93.4%、85.0%和74.7%，差異沉降分別減小99.3%、97.9%和92.1%，表明強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基較單一樁型復(fù)合地基處理效果明顯提高。

4.3 不同荷載作用下的沉降情況

針對(duì)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基，在地坪結(jié)構(gòu)層分別施加10 kN/m2～ 50 kN/m2的面荷載，不同荷載作用下地坪結(jié)構(gòu)層的最大沉降和最大差異沉降如圖3所示。

圖3 荷載與沉降關(guān)系圖

由上文分析可知，最大沉降發(fā)生在結(jié)構(gòu)層角點(diǎn)處，最小沉降發(fā)生在結(jié)構(gòu)層中心點(diǎn)處。為便于分析，可計(jì)算單位距離上差異沉降值，本文計(jì)算模型最大與最小沉降發(fā)生位置距離約9 m。由圖3可知，隨著荷載的增大，最大沉降和最大差異沉降均逐漸增大，在荷載為10 kN/m2時(shí)，最大沉降為12.93 mm，最大差異沉降僅為0.21 mm，單位距離差異沉降量為0.025 mm/m；在荷載為50 kN/m2時(shí)，最大沉降為38.2 mm，最大差異沉降僅為0.95 mm，單位距離差異沉降量為0.11 mm/m。

由規(guī)范[16]可知，混凝土在單位距離差異沉降小于1 mm/m的條件下，不會(huì)因拉應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，同時(shí)根據(jù)工程背景，該倉(cāng)儲(chǔ)物流所儲(chǔ)存的貨物產(chǎn)生的荷載一般不超過(guò)60 kN/m2，表明在該倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)地采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基對(duì)軟弱土層進(jìn)行處理，能夠較好的滿足工程要求。

同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，地基處理后的地坪結(jié)構(gòu)層的最大沉降和最大差異沉降隨著荷載的變化均呈線性變化，因此對(duì)最大沉降和最大差異沉降進(jìn)行線性擬合。設(shè)最大沉降為S，最大差異沉降為Sc，荷載為P，可得：

S=0.625P+5.76，R2=0.9817

(1)

Sc=0.019P，R2=0.9972

(2)

式中:R2表示擬合公式相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)擬合結(jié)果，最大沉降和最大差異沉降與上部荷載的線性關(guān)系相關(guān)系數(shù)分別為0.9817和0.9972，表明擬合關(guān)系較好。

考慮該地基為大型物流倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)地，后期將堆放不同重量的貨物，因此式(1)和式(2)可用于預(yù)測(cè)在強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基處理后的不同荷載作用下地坪結(jié)構(gòu)層的沉降和差異沉降情況。

5 結(jié) 論

(1) 強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基最大沉降量較不進(jìn)行地基處理、僅采用強(qiáng)夯碎石樁復(fù)合地基、僅采用CFG樁復(fù)合地基最大沉降分別減小93.4%、85.0%和74.7%，差異沉降分別減小99.3%、97.9%和92.1%，表明強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基較單一樁型復(fù)合地基處理效果明顯提高。

(2) 隨著荷載的增大，最大沉降和最大差異沉降均逐漸增大，在荷載為50 kN/m2時(shí)，最大沉降為38.2 mm，單位距離差異沉降量為0.11 mm/m，表明在該倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)地采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基對(duì)軟弱土層進(jìn)行處理能夠較好的滿足單位距離差異沉降小于1 mm/m的工程要求。

(3) 地基處理后的地坪結(jié)構(gòu)層的最大沉降和最大差異沉降隨著荷載的變化均呈線性變化，最大沉降和最大差異沉降與上部荷載的線性關(guān)系表達(dá)式可用于預(yù)測(cè)地基處理后的不同荷載作用下地坪結(jié)構(gòu)層的沉降和差異沉降情況。