筏板基礎(chǔ)下碎石樁改良軟土地基性能的數(shù)值研究

姚志偉 張永艷

摘 要：為解決傳統(tǒng)碎石樁加固軟土地基研究中忽視碎石樁側(cè)向膨脹的問題，在對筏板基礎(chǔ)下碎石樁排水荷載條件下加固軟土地基的性能進(jìn)行評估的基礎(chǔ)上，利用PLAXIS 3D數(shù)值模擬方法研究了樁間距、直徑和樁長等參數(shù)對筏板基礎(chǔ)長期性能的影響，同時(shí)分析了各參數(shù)對筏板基礎(chǔ)整體沉降、彎矩和碎石樁側(cè)脹的影響。結(jié)果表明：1）軟土中碎石樁的存在顯著降低了筏板基礎(chǔ)的沉降和彎矩;2）碎石樁的側(cè)向脹形分布取決于其位置的深度;3）筏板基礎(chǔ)的沉降、彎矩和側(cè)向脹形隨著間距與樁徑比的減小、面積置換率和碎石樁長度的增加而增加;4）采用長厚比為0.75的碎石樁加固軟土，可以達(dá)到良好的加固效果。研究結(jié)果對于全面了解筏板基礎(chǔ)下碎石樁改良軟土的側(cè)脹性狀具有重要意義，對于今后類似工程加固設(shè)計(jì)具有參考借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程;碎石樁;軟土;筏板基礎(chǔ);改善系數(shù);側(cè)脹

中圖分類號：U4185文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx05009

收稿日期：2020-06-18;修回日期：2020-08-12;責(zé)任編輯：張?軍

基金項(xiàng)目：青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2019-ZJ-7053）

第一作者簡介：姚志偉（1985—），男，江西吉安人，工程師，碩士，主要從事建筑與土木工程方面的研究。

E-mail：496204427@qq.com

姚志偉，張永艷.

筏板基礎(chǔ)下碎石樁改良軟土地基性能的數(shù)值研究

[J].河北工業(yè)科技，2020，37（5）：359-365.

YAO Zhiwei，ZHANG Yongyan.

Numerical study on performance of soft soil foundation improved by gravel piles under raft foundation

[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（5）：359-365.

Numerical study on performance of soft soil foundation

improved by gravel piles under raft foundation

YAO Zhiwei1， ZHANG Yongyan2

（1.Jiangxi Zhongmei Engineering Group Limited， Nanchang， Jiangxi330101， China; 2. Qinghai Geological Environment Monitoring Station，Xining， Qinghai810001， China）

Abstract：

In order to solve the problem that the lateral dilation of gravel piles was ignored in the traditional research of reinforcing soft soil foundation with gravel piles， the performance of reinforcing soft soil foundation with gravel piles and raft foundation under drainage load was evaluated in this paper. Based on this， the influence of pile spacing， diameter and pile length on the long-term performance， settlement of raft foundation， bending moment and lateral dilation of gravel pile was studied by using PLAXIS 3D numerical simulation method. The results show that： 1） the settlement and bending moment of raft foundation are significantly reduced due to the existence of gravel piles in soft soil; 2） the lateral dilation distribution of gravel piles depends on the depth of their location; 3） the settlement， bending moment and lateral dilation of raft foundation increase with the decrease of pile spacing and diameter ratio， and the increase of area replacement rate and gravel pile length; 4） gravel piles with length thickness ratio of 0.75 are used to reinforce soft soil， and good reinforcement effect can be achieved. The research results are of great significance to understand the lateral dilation behavior of soft soil improved by gravel piles under raft foundation， and have important reference value for the reinforcement design of similar projects in the future.

2.2?間距與樁徑比對碎石樁加筋軟土性狀的影響

筆者研究了筏板基礎(chǔ)下的直徑、間距與樁徑比（S/D）對碎石樁加筋軟土性狀的影響，直徑D=1 m，S/D值分別為2，3，4的碎石樁如圖4所示。

圖4 a）顯示了筏板基礎(chǔ)在4個(gè)荷載水平（25，50，75和100 kPa）下沉降改善系數(shù)n隨S/D值的變化，從圖4 a）可以看出筏板基礎(chǔ)在25 kPa的荷載水平下比其他荷載水平引起的沉降改善系數(shù)更高，且在相同的間距與樁徑比下，沉降改善系數(shù)隨荷載水平的增加而減小，沉降改善系數(shù)也隨著S/D值的增大而減小，當(dāng)S/D值達(dá)到3后，隨著荷載水平的增加，沉降改善系數(shù)的降低率降低。

彎矩改善系數(shù)是未處理軟土體情況下筏板的彎矩與碎石樁處理軟土體情況下筏板的彎矩之比。圖4 b）顯示了距中心線不同水平距離時(shí)S/D值對彎矩改善系數(shù)m值的影響。

從圖4 b）看出彎矩改善系數(shù)m值隨S/D值的減小和面積置換比的增大而增大，而彎矩改善系數(shù)m值的增加是由于加固軟土的剛度增加導(dǎo)致筏板的彎矩減小，因此，樁間距越窄，加筋土的剛度和彎矩改善系數(shù)m值越大。此外，在研究的工況中，當(dāng)S/D=2時(shí)碎石樁加固效果最好，此時(shí)筏板中心處彎矩改善系數(shù)為1.8，筏板邊緣處彎矩改善系數(shù)達(dá)到2.25。

側(cè)向脹形定義為碎石樁的水平位移。圖4 c）顯示了不同S/D值下不同位置的碎石樁（即筏板中心附近的碎石樁、筏板邊緣和拐角處）的側(cè)向脹形。由于長期荷載作用，應(yīng)力向下部傳遞，沿碎石樁全長發(fā)生側(cè)向脹形。由圖4 c）可以看出：

1）側(cè)向脹形取決于碎石樁的位置;筏板中心附近的散體樁發(fā)生最小脹形，邊緣散體樁發(fā)生最大脹形，而轉(zhuǎn)角散體樁的脹形介于最大脹形和最小脹形之間。

2）3種不同位置碎石樁（筏中心、筏邊和筏角附近）的側(cè)向脹形隨著碎石樁深度的增加而增大，達(dá)到峰值后，側(cè)向脹形隨碎石樁深度的增加而減小。

3）側(cè)向脹形峰值的位置還取決于筏板下碎石樁的位置和S/D值（即筏板中心附近碎石樁的側(cè)向脹形峰值一般出現(xiàn)在較深的深度，筏板角附近碎石樁的側(cè)向脹形峰值出現(xiàn)在較淺的深度和筏板邊緣附近的碎石樁側(cè)向脹形峰值介于兩者之間）。

4）側(cè)向脹形隨S/D值的減小而減小。與S/D=3的碎石樁相比，S/D=2的筏板邊緣的碎石樁在樁頂1/3處的側(cè)脹值較大，在樁底2/3處的側(cè)脹值較小。

2.3?碎石樁直徑對碎石樁加筋軟土性狀的影響

碎石樁直徑對碎石樁加筋軟土性狀的影響如圖5所示。

圖5 a）顯示了不同荷載水平下碎石樁直徑對沉降改善系數(shù)n值的影響，從圖5 a）看出當(dāng)荷載水平為25 kPa時(shí)，沉降改善系數(shù)n值比相同樁徑下其他荷載水平的沉降改善系數(shù)n值更高，且沉降改善系數(shù)n值從D=0.8 m處的2.1開始逐漸增大，直到D=1.0 m處達(dá)到最大值3，超過最大值后，沉降改善系數(shù)n值逐漸減小，直到D=1.2 m處達(dá)到2.3。其他荷載水平的沉降改善系數(shù)n值隨碎石樁直徑的變化規(guī)律相同。隨著載荷水平的增加，沉降改善系數(shù)n值減小，在100 kPa的荷載水平下，得到了最小的沉降改善系數(shù)值。在該荷載下，D=0.8時(shí)的沉降改善系數(shù)為1.67，在D=1.0 m時(shí)逐漸增大，直至達(dá)到179的最大值，超過最大值后，沉降改善系數(shù)逐漸減小，在D=1.2 m時(shí)沉降改善系數(shù)達(dá)到1.67，D=0.8 m和D=1.2 m情況下的沉降改善系數(shù)相同的原因是這2種情況都具有相同的面積置換率。

圖5 b）說明了碎石樁直徑對彎矩改善系數(shù)的影響，與D=0.8 m和D=1.2 m的情況相比，采用D=1.0的碎石樁加固軟土的彎矩改善系數(shù)m值較小，這是因?yàn)镈=1 m的情況在其他研究情況下具有較大的不均勻沉降。樁徑D=0.8 m和D=1.2 m時(shí)彎矩改善系數(shù)的收斂情況大致相同，主要因?yàn)檫@兩種情況具有相同的面積置換率和近似相同的不均勻沉降;然而，D=0.8 m的情況下，在基礎(chǔ)中心附近有一個(gè)稍微大一些的彎矩改善系數(shù)，而與D=1.2 m的情況相比，在基礎(chǔ)邊緣附近的一個(gè)較小的彎矩改善系數(shù)，這是因?yàn)榫哂休^高的彎矩改善系數(shù)的區(qū)域被加強(qiáng)，該區(qū)域具有較大的碎石樁面積。因此，在加固軟土中，采用D=0.8 m和S/D=2的碎石樁是有效的。

從圖5 c）看出筏板中心附近的碎石樁側(cè)脹隨著樁徑的減小而減小，對于位于筏板中間邊緣附近的碎石樁，當(dāng)D=10 m時(shí)，深度小于4.2 m處有較大側(cè)向脹形，并且它們沿深度產(chǎn)生較小的值。D=0.8 m的樁側(cè)脹形值大于D=1.2 m樁的側(cè)脹值，這是因?yàn)镈=0.8 m的碎石樁比D=1.2 m的樁更靠近基礎(chǔ)中緣，而在另一側(cè)，靠近筏角的樁;D=0.8 m的樁與D=1.2 m的樁具有大致相同的側(cè)向脹形，而D=10 m的樁具有比D=3 m的深度淺的較大側(cè)向脹形，并且它們具有較小側(cè)向脹形。

2.4?碎石樁長度對碎石樁加筋軟土性狀的影響

碎石樁長度對碎石樁加筋軟土性狀的影響如圖6所示。

圖6 a）顯示了直徑D=0.8 m，S/D=2的不同樁長碎石樁加固軟土的情況。采用樁長Lp與土層厚度H比Lp/H分別為1，0.75，0.5和0.25等4種不同情況，研究了端承和摩擦碎石樁在筏板基礎(chǔ)下加固軟土的性能。通常沉降改善系數(shù)隨著樁長的增加而增加，隨著Lp/H=0.25增加到Lp/H=0.75，沉降改善系數(shù)的增加速率大于Lp/H=0.75增加到Lp/H=1.0的速率。因此，Lp/H=0.75的摩擦碎石樁的沉降改善系數(shù)略小于端承碎石樁的沉降改善系數(shù)。在其他荷載水平中，25 kPa荷載水平的沉降改善系數(shù)n值最大，增量最大。

圖6 b）顯示了端承樁和摩擦樁2種情況下筏板中彎矩改善系數(shù)m值的變化。從圖6 b）看出由于不均勻沉降的影響，樁長對彎矩改善系數(shù)有不同的影響，端承樁和Lp/H=0.25的摩擦樁彎矩改善系數(shù)m值收斂情況大致相同;在研究工況中，Lp/H=0.75的摩擦樁彎矩改善系數(shù)最大，此時(shí)彎矩改善系數(shù)m值在地基中心處為3.91，距基礎(chǔ)中心2.5 m處的彎矩改善系數(shù)m值最大為4.37。

圖6 c）-f）顯示了D=0.8 m和S/D=2時(shí)端承和摩擦碎石樁在中心、邊緣和角落附近的側(cè)向膨脹情況。

從圖6 c）可以看出中心附近的端承碎石樁在豎直軸線上呈近似對稱的凸起，而邊緣和角狀碎石樁向外隆起。與端承碎石樁相比，摩擦碎石樁沿其深度具有較小的側(cè)向脹形值，其主要原因是長碎石樁的主要變形是側(cè)向脹形，而短碎石樁的主要變形是貫入變形。此外，端承樁和靠近中邊緣的摩擦樁有最大的側(cè)向脹形，而靠近中心的樁則有最小的側(cè)向脹形?？拷行牡亩顺兴槭瘶对?.2 m深度處產(chǎn)生峰值，而靠近中間邊緣和拐角處的碎石樁在5.0 m深度處具有峰值，如圖6 c）所示。Lp/H=075的摩擦樁與端承碎石樁的峰值位置相同，如圖6 d）所示。對于Lp/H值分別為0.25和0.5的2個(gè)摩擦碎石樁，碎石樁的峰值位于其末端，如圖6 e）和6 f）所示，這在Lp/H=0.5的情況下更為明顯。Lp/H=0.5的情況下，靠近中邊緣和拐角處的碎石樁，其端部峰值大于端承和Lp/H=0.75的情況，這歸因于碎石樁（Lp/H=0.5）的端部是自由的，它位于側(cè)向脹形的最大值區(qū)域。

3?結(jié)?語

利用PLAXIS 3D程序，對筏板基礎(chǔ)下的未處理和處理后的軟土進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對不同數(shù)量、直徑、間距、長度和面積置換率的碎石樁處理軟土進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要研究了這些參數(shù)對筏板沉降、彎矩和樁側(cè)脹的影響。根據(jù)研究所得結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

1）無論樁數(shù)多少，隨著間距與樁徑比的減小和面積置換率的增大，沉降和彎矩的改善均增大。在較低的荷載水平下，沉降改善系數(shù)有較高的值。因此，間距與樁徑比值越小，面積置換率越大，沉降和彎矩的改善系數(shù)越大。

2）碎石樁直徑對高荷載水平下加筋軟土的沉降改善系數(shù)影響不大。碎石樁直徑D=0.8 m的情況下，彎矩改善系數(shù)值大于D=1 m的情況。因此，使用D=0.8 m和S/D=2的碎石樁比其他研究的不同直徑的碎石樁，軟土加固性能更好。

3）碎石樁的側(cè)向脹形隨其位置的不同而有不同的分布和數(shù)值。邊緣附近的碎石樁具有較大的外部側(cè)向脹形，而中心附近的碎石樁具有較小的側(cè)向脹形。一般情況下，側(cè)向脹形隨碎石樁間距的減小而減小;摩擦樁的側(cè)向脹形小于端承樁，摩擦樁的側(cè)向脹形隨樁長的減小而減小。

4）與端承碎石樁相比，Lp/H=0.75的摩擦碎石樁沉降收斂，側(cè)向脹形量較小，彎矩改善系數(shù)較大。因此，采用D=0.8 m，S/D=2，Lp/H=0.75的摩擦碎石樁被認(rèn)為是一種優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方案在筏板基礎(chǔ)下對軟土地基的加固效果較好。

本文研究工作主要表現(xiàn)在論文采用數(shù)值模擬計(jì)算，未進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測或者模型試驗(yàn)研究對比。相關(guān)研究人員可開展摩爾庫倫模型和修正劍橋模型的對比研究工作，以驗(yàn)證對于軟土哪種模型更為合適。

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