碎石樁復(fù)合地基在大麗高速公路軟土地基處理中的應(yīng)用

張秀勇，王海龍，李 杰

(1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210029； 2.東營(yíng)港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃分局，山東 東營(yíng) 257091)

碎石樁復(fù)合地基是一種典型的散體材料樁復(fù)合地基，由基體(軟土)和增強(qiáng)體(碎石樁)兩部分組成，具有非均質(zhì)且各向異性的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)使得碎石樁復(fù)合地基有別于均質(zhì)地基[1-3]。碎石樁對(duì)砂土地基的加固作用主要通過(guò)施工過(guò)程的振密和預(yù)震作用以及樁體的擠密作用來(lái)提高抗液化能力和承載能力[4-5]。黏土地基中采用碎石樁進(jìn)行加固，主要體現(xiàn)在減少沉降、提高承載力、增大土坡的抗滑穩(wěn)定性等方面[6-7]。碎石樁良好的滲透性使樁體起到了排水砂井的作用，縮短了排水路徑，加快了土體固結(jié)，減少了工后沉降。若地基中的軟弱土層較厚，碎石樁不能穿透整個(gè)軟弱土層時(shí)，經(jīng)過(guò)碎石樁加固的復(fù)合地基就發(fā)揮了墊層作用。在松散土地基或土坡中應(yīng)用碎石樁，可以提高邊坡的抗滑穩(wěn)定性，并起到一般抗滑樁的作用，提高土體的抗剪強(qiáng)度，使最危險(xiǎn)滑動(dòng)面移至土體更深層[8]。

我國(guó)西南地區(qū)的大麗高速公路建設(shè)在軟土地基之上，地基以湖相淤泥及含有機(jī)質(zhì)淤泥為主，包含較多的植物殘余，天然密度小，孔隙比和含水率非常大。本文結(jié)合大麗高速公路碎石樁處治軟土地基的實(shí)際工程情況以及代表性斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討碎石樁在軟土地基中的應(yīng)用，并利用FLAC3D有限差分程序?qū)λ槭瘶稄?fù)合地基進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了西南地區(qū)湖相沉積軟土地在路堤荷載下承載力的變化規(guī)律。

1 工程地質(zhì)概況及軟土特性

1.1 工程地質(zhì)概況

大麗高速公路為國(guó)家高速公路網(wǎng)橫12杭州至瑞麗高速公路的一段，在國(guó)家和云南省公路網(wǎng)中具有重要的地位。公路沿線地形以山地和盆地兩大類(lèi)型為主，由于其所處地區(qū)獨(dú)特的地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造，該地區(qū)除受氣候影響雨水充沛外，還具備豐富的黏土礦物質(zhì)資源，經(jīng)地質(zhì)、水文和氣象活動(dòng)日積月累的作用，形成了目前云南高原地區(qū)特有的軟土結(jié)構(gòu)形式。

1.2 天然軟土物理指標(biāo)

對(duì)大麗高速公路沿線土層進(jìn)行取樣，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到該天然軟土的基本物理力學(xué)指標(biāo)如見(jiàn)表1所示。

表1 天然軟土基本物理力學(xué)指標(biāo)

2 碎石樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

第12-1合同段高速公路軟土地基采用碎石樁處理方式，碎石樁直徑為0.5 m，梅花形布樁，樁距為1.5 m，該段平均樁長(zhǎng)為8.5 m。由于高速公路對(duì)工后沉降與穩(wěn)定性的要求，為控制路基填土速率及間歇時(shí)間，確保施工的安全性，同時(shí)推算工后沉降量以確定路面鋪筑的時(shí)間，對(duì)路堤填土高度較大的軟土地基路段和軟土地基深厚易產(chǎn)生較大沉降的路段進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 軟土地基監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

軟土地基監(jiān)測(cè)儀器布置如圖1所示(以第12-1合同段K80+850斷面為例)。軟土地基處理路段沉降管斷面設(shè)置間距為50～200 m，布置在距離樁頂200 mm處，在樁體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安置4對(duì)，樁身布置測(cè)點(diǎn)并固定牢固。監(jiān)測(cè)段全長(zhǎng)450 m，共設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面9個(gè)，沉降管9個(gè)，測(cè)斜管1個(gè)(深28 m)，孔隙水壓計(jì)3個(gè)。3個(gè)孔隙水壓計(jì)埋設(shè)位置分別在地面以下1.5 m(埋設(shè)土層為淤泥)、5.5 m(埋設(shè)土層為淤泥)、9 m(埋設(shè)土層為黏土)處。

圖1 軟土地基K80+850斷面布置示意圖 Fig.1 Schematic map of soft soil monitoring section (K80+850)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料分析

路堤填土過(guò)程K80+850斷面荷載過(guò)程和沉降過(guò)程曲線見(jiàn)圖2。沉降和加載過(guò)程不一致，表現(xiàn)出一定的滯后性。變形與土中孔隙水壓力的消散相關(guān)，最后一級(jí)荷載加載完畢，沉降仍持續(xù)發(fā)展。

圖2 K80+850斷面荷載、沉降和孔隙水壓力過(guò)程線Fig.2 Timeline of loading，sinking and excess pore water pressure of monitoring section (K80+850)

孔隙水壓力的消散過(guò)程如圖2(c)所示。由圖2(c)可以看出，在填土荷載初期超靜孔隙水壓力較大，并隨荷載的增加而減小，說(shuō)明初期排水系統(tǒng)的暢通性較差，經(jīng)過(guò)填土荷載作用，形成了有效的排水體系。

圖3是填土荷載超過(guò)9 m時(shí)高填土條件下的水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，土體的水平位移主要發(fā)生深度為5～16 m內(nèi)，其絕對(duì)數(shù)值與沿海地區(qū)超軟地基土相比要小很多，說(shuō)明西南多山地區(qū)地基總的情況要好于沿海地區(qū)，處理難度低，沿海地區(qū)傳統(tǒng)成熟的軟土地基處理技術(shù)容易移植到西南高山、高海拔地區(qū)。

圖3 K80+850斷面?zhèn)认蛩轿灰魄€Fig.3 Horizontal displacement curve of monitoring section (K80+850)

圖4為施工28 d后12-1合同段K80+373和K80+513斷面重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)曲線。該合同段碎石樁的設(shè)計(jì)承載力為不小于400 kPa，實(shí)際檢測(cè)平均值為415 kPa。通過(guò)比較分析，大麗高速公路軟土地基采用一般軟土地基的處理手段可以達(dá)到預(yù)期效果；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，碎石樁適宜于對(duì)湖相沉積軟土地基的處理。

圖4 碎石樁體重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)曲線Fig.4 Curve of heavy dynamic penetration test for gravel piles

3 碎石樁復(fù)合地基的數(shù)值分析

對(duì)巖土工程問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析的有效性在有關(guān)研究中得到驗(yàn)證[9-10]。FLAC3D中的單元網(wǎng)格可以隨材料產(chǎn)生相應(yīng)的變形，從而較準(zhǔn)確地模擬巖土材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化以及大變形特性[9-11]。故選用有限差分軟件FLAC3D對(duì)大麗高速公路碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行模擬分析。選取第12-1合同段(K80+650～K81+100)對(duì)碎石樁加固效果進(jìn)行模擬分析，圖5為填土過(guò)程路基沉降模擬曲線。

圖5 填土過(guò)程路基沉降模擬曲線Fig.5 Subgrade settlement curve in filling process from simulation

3.1 模型和參數(shù)的選取

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)土體參數(shù)，采用適用于低摩擦角軟質(zhì)黏土的Drucker-Prager塑性模型，模型所用參數(shù)見(jiàn)表3。其中，Drucker-Prager模型中所用參數(shù)qφ、kφ和黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ有以下關(guān)系：

(1)

3.2 路堤填土過(guò)程復(fù)合模量均質(zhì)法模擬分析

在天然地基模型的基礎(chǔ)上，對(duì)路堤范圍下的地基土體采用復(fù)合模量均質(zhì)法對(duì)碎石樁復(fù)合地基部分重新賦值進(jìn)行填土過(guò)程模擬，填土過(guò)程即增加荷載的過(guò)程。天然地基監(jiān)測(cè)沉降量和復(fù)合地基的特征點(diǎn)沉降量隨路堤填土過(guò)程的關(guān)系如圖6所示。填土過(guò)程兩種地基沉降表現(xiàn)的規(guī)律基本一致：路基中心線處土體沉降最大，土體沉降隨距中心線距離的增加而減小，隨土體深度的增加而減小。

圖6 天然地基沉降對(duì)比曲線Fig.6 Comparison curve of natural foundation settlement

由圖6可見(jiàn)，因?qū)嶋H施工中填土存在時(shí)間間隔，故沉降變化呈曲線；而數(shù)值模擬填土過(guò)程為連續(xù)加載，故沉降變化為直線，二者沉降量基本一致，則數(shù)值模擬結(jié)果基本合理，可以較有效地反映實(shí)際現(xiàn)象及規(guī)律。經(jīng)碎石樁處理后，地基沉降量最大值由1 215 mm降低為517 mm，沉降減少57.4%，碎石樁對(duì)該路段地基土體的加固效果十分顯著。

3.3 碎石樁復(fù)合地基模型模擬分析

建立單樁復(fù)合地基模型和梅花形布置的群樁復(fù)合地基模型，以模擬路基中心處復(fù)合地基的承載過(guò)程。圖7為群樁平面布置及群樁復(fù)合地基模型的網(wǎng)格劃分。碎石樁長(zhǎng)取該合同段平均樁長(zhǎng)8.5 m，碎石樁體穿過(guò)5 m厚淤泥土層及3.5 m黏土層，樁底未接觸到巖石等較硬持力層。采用群樁典型單元法建立群樁模型，即以圖7(a)所示1、2、3號(hào)樁所構(gòu)成的典型單元為研究對(duì)象，認(rèn)為只有其周?chē)嚯x最近(1倍樁距)的樁體與之產(chǎn)生相互作用，而超過(guò)1倍樁距的樁體對(duì)其作用忽略不計(jì)。按照工程實(shí)際情況，梅花形布置為樁距1.5 m，樁徑0.5 m。

圖7 群樁平面布置與復(fù)合地基模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Schematic map of group pile and mesh division of composite foundation

復(fù)合地基模型中，樁體、碎石墊層均采用各向同性彈性模型，彈性模型參數(shù)見(jiàn)表4。在碎石樁復(fù)合地基模型中，樁體與周?chē)馏w之間均設(shè)有接觸面，根據(jù)反演計(jì)算，接觸面的內(nèi)摩擦角和黏聚力取其接觸土層內(nèi)摩擦角和黏聚力的0.8倍。

表3 Drucker-Prager模型土體參數(shù)

采用群樁典型單元法對(duì)填土過(guò)程進(jìn)行模擬，將沉降量與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖8)，模擬值與監(jiān)測(cè)值相比偏大，基本規(guī)律趨勢(shì)較一致，且因填土荷載的加載方式為連續(xù)加載，故呈現(xiàn)模擬值變化趨勢(shì)為直線。可以認(rèn)為群樁典型單元法對(duì)碎石樁復(fù)合地基的模擬較有效。圖9為復(fù)合地基沉降曲線，取曲線的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載為極限承載力，則單樁和群樁的地基承載力分別為80 kPa和300 kPa。該現(xiàn)象說(shuō)明群樁復(fù)合地基中的群樁效應(yīng)使得復(fù)合地基承載力大大提高。同時(shí)，填土荷載達(dá)到160 kPa，即填土高度8 m時(shí)，群樁典型單元法的沉降量約為680 mm，復(fù)合地基在填土荷載下沉降量監(jiān)測(cè)數(shù)值約為510 mm，采用復(fù)合模量均質(zhì)法計(jì)算所得復(fù)合地基沉降量為1 014 mm。模擬結(jié)果介于實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間，可認(rèn)為采用群樁典型單元法建立模型對(duì)群樁復(fù)合地基進(jìn)行模擬較合理。

圖8 群樁復(fù)合地基沉降對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve of settlement for pile group composite foundation

圖9 復(fù)合地基沉降曲線Fig.9 Pressure-Settlement curve of composite foundation

4 結(jié) 論

a.針對(duì)湖相沉積軟土的特性和實(shí)際地質(zhì)條件，采用碎石樁作為豎向排水通道、填筑碎石墊層為水平向排水通道，以排水固結(jié)的方式對(duì)該處地基進(jìn)行的處理技術(shù)可行、效果明顯。

b.采用復(fù)合模量均質(zhì)法和群樁典型單元法建立的數(shù)值模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，可用于湖相沉積軟土碎石樁復(fù)合地基工程特性的模擬分析。

c.采用建立的路基模型模擬填土過(guò)程的沉降數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，表明碎石樁對(duì)天然軟土地基的加固處理效果比較顯著。