水泥土復(fù)合預(yù)制樁荷載傳遞機(jī)理

王巖峻 姚建平 魏少偉 耿琳

1.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；3.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京100081

我國幅員遼闊，高速鐵路沿線地質(zhì)條件多變，存在密實(shí)砂層、碎石土、軟土等復(fù)雜場(chǎng)地。為保證高速鐵路列車高速、平穩(wěn)、安全運(yùn)行，軌道結(jié)構(gòu)要具有高可靠性、高穩(wěn)定性和高平順性，因而對(duì)于下部地基沉降要求非常嚴(yán)格?；炷令A(yù)制樁作為地基處理常見樁型，樁身強(qiáng)度較高，但往往在樁周軟土剪切破壞時(shí)，樁身強(qiáng)度未完全發(fā)揮作用，造成材料的浪費(fèi)［1］。目前多采用錘擊或靜壓方式成樁，在遇到局部密實(shí)砂層、碎石土等土層時(shí)，錘擊施工困難，易造成樁身損壞［2-3］；在軟土地基中，混凝土預(yù)制樁為全擠土樁，擠土效應(yīng)明顯，對(duì)周圍環(huán)境影響較大［4-5］。這限制了混凝土預(yù)制樁的使用范圍，不利于綠色裝配式構(gòu)件的推廣。

采用水泥土復(fù)合預(yù)制樁進(jìn)行地基處理和樁基礎(chǔ)施工，可解決上述施工難題。水泥土復(fù)合預(yù)制樁通過在水泥土樁中插入混凝土預(yù)制樁，利用水泥土樁較大側(cè)表面積來提高側(cè)摩阻力，同時(shí)利用高強(qiáng)度的混凝土預(yù)制樁承擔(dān)上部荷載，充分發(fā)揮兩種樁型的優(yōu)勢(shì)，有效地提高承載力，減小沉降。高速鐵路采用混凝土預(yù)制樁時(shí)，為了避免側(cè)向土的剪切破壞導(dǎo)致混凝土預(yù)制樁承載力失效，一般設(shè)置為端承樁［6］，而采用水泥土復(fù)合預(yù)制樁可以將其設(shè)置為摩擦樁，提高側(cè)摩阻力利用率，減少樁設(shè)計(jì)長度。

水泥土復(fù)合預(yù)制樁作為最近幾年才出現(xiàn)的新型樁型，滿足建設(shè)所需承載力要求，施工綠色節(jié)能環(huán)保，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在工民建［7］、道橋［8］、水利工程［9］、基坑［10］領(lǐng)域已有部分工程應(yīng)用，但理論研究遠(yuǎn)滯后于實(shí)踐。本文關(guān)于荷載傳遞機(jī)理的研究可以為水泥土復(fù)合預(yù)制樁在高速鐵路中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立及可靠性評(píng)估

1.1 模型建立

對(duì)水泥土復(fù)合預(yù)制樁樁土模型進(jìn)行有限元分析時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件，減少無關(guān)或影響較小的因素影響?；炯僭O(shè)及簡化為：①混凝土預(yù)制樁和水泥土樁為各向同性的線彈性體。②建模中不考慮水泥向樁周土擴(kuò)散，并假定水泥土樁外表面平整。③考慮到全模型的計(jì)算耗時(shí)較長，且模型為軸對(duì)稱模型，所以將全模型簡化為1/4模型。④忽略地下水對(duì)樁土分析的影響。

在水泥土復(fù)合預(yù)制樁的實(shí)際施工流程中，通過高壓旋噴工藝形成水泥土樁，在水泥土未固結(jié)前，將混凝土預(yù)制樁同心植入，形成水泥土復(fù)合預(yù)制樁。在此基礎(chǔ)上施工上部結(jié)構(gòu)，施工流程如圖1所示。本文采用生死單元法實(shí)現(xiàn)計(jì)算的有序性。

圖1 施工流程示意

1.2 模型可靠性評(píng)估

為保證計(jì)算結(jié)果的精度與準(zhǔn)確性，通過選取水泥土復(fù)合預(yù)制樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料與有限元計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，來驗(yàn)證有限元模型的可靠性。

1.2.1 參數(shù)選取

根據(jù)深圳媽灣跨海通道沿江高速公路工程水泥土復(fù)合預(yù)制樁單樁復(fù)合地基承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立有限元模型。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1?；炷令A(yù)制樁采用PHC?400?AB?95，水泥土樁直徑為1 000 mm，主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 樁體物理力學(xué)參數(shù)

采用平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)復(fù)合地基承載力，要求復(fù)合地基承載力大于等于230 kPa，最大加載量為460 kPa。采用逐級(jí)等量加載，每一級(jí)荷載為46 kPa，復(fù)合單樁連續(xù)加載92～460 kPa，共9級(jí)荷載。

混凝土預(yù)制樁與水泥土樁接觸界面摩擦因數(shù)為u1，根據(jù)文獻(xiàn)［11］可取0.8。水泥土樁與樁周土界面摩擦因數(shù)u2的取值可按式（1）計(jì)算［12］。

式中：φ為土體的內(nèi)摩擦角；ψ為樁土界面的摩擦角。

文獻(xiàn)［13］中指出，樁-土界面內(nèi)摩擦角可取為0.75φ～1.00φ。參照文獻(xiàn)［13］中經(jīng)驗(yàn)公式，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土質(zhì)情況，取水泥土與樁周土面摩擦因數(shù)u2=0.35。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

此外，也可開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)別的幼兒教師培訓(xùn)，讓教師們充分了解幼兒一日活動(dòng)的基本理念及詳細(xì)規(guī)則。培訓(xùn)中可以就某些集中問題進(jìn)行分組討論，例如幼兒的晨間鍛煉運(yùn)動(dòng)有哪些具體的要求，需要注意哪些細(xì)節(jié)，教師應(yīng)該做什么工作，具體怎么執(zhí)行等。在討論的基礎(chǔ)上，讓教師們撰寫自己的心得體會(huì)，總結(jié)如何才能夠?qū)⒂變阂蝗毡＝袒顒?dòng)執(zhí)行得更好，真正地理解并做到幼兒教師規(guī)范細(xì)則。

在地應(yīng)力分析步1和地應(yīng)力分析步2中分別模擬土體的地應(yīng)力平衡以及樁放入土體后的地應(yīng)力平衡，正式加載每一級(jí)荷載作為一個(gè)靜力學(xué)分析步，共9個(gè)分析步。荷載以均布力的方式施加在荷載板上。根據(jù)單樁復(fù)合地基承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值荷載-沉降曲線見圖3。可知，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值荷載-沉降曲線吻合良好，但存在差異。這是因?yàn)樗嗤翗对诔蓸哆^程中，水泥漿會(huì)有一部分向樁周土擴(kuò)散增加有效半徑，且表面的凹凸不平可以增大側(cè)摩阻力，而數(shù)值模擬中水泥土樁簡化為平整表面，導(dǎo)致沉降變形偏大?；炷令A(yù)制樁插入水泥土樁時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向擠壓的作用，起到增強(qiáng)作用，提高了水泥土樁的承載能力。現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，數(shù)值模擬不可能與實(shí)際情況完全一致，必然存在誤差。

圖3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比

2 水泥土復(fù)合預(yù)制樁對(duì)比分析

水泥土復(fù)合預(yù)制樁通過在水泥土樁中插入混凝土預(yù)制樁，利用水泥土樁較大的表面積提高側(cè)摩阻力，同時(shí)利用高強(qiáng)度的混凝土預(yù)制樁承擔(dān)上部荷載，充分發(fā)揮兩種樁型的優(yōu)勢(shì)，很多工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也充分驗(yàn)證了水泥土復(fù)合預(yù)制樁在提高承載力及控制沉降方面的優(yōu)越性。因此在有限元可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)上，選取樁徑1 000 mm的水泥土復(fù)合預(yù)制樁、樁徑1 000 mm的水泥土樁和樁徑400 mm的混凝土預(yù)制樁，樁長均為15 m，在施加400 kPa的荷載下，對(duì)比分析水泥土復(fù)合預(yù)制樁與常用混凝土預(yù)制樁、水泥土樁的沉降變形差異。

水泥土復(fù)合預(yù)制樁、水泥土樁、混凝土預(yù)制樁沉降云圖見圖4，沉降曲線見圖5。

圖4 三種樁的沉降云圖（單位：m）

圖5 三種樁沉降曲線

由圖4、圖5可知：在400 MPa荷載作用下，水泥土復(fù)合預(yù)制樁最大沉降為15.2 mm；水泥土樁最大沉降為30.5 mm；混凝土預(yù)制樁最大沉降為32.6 mm。相比于水泥土樁，水泥土復(fù)合預(yù)制樁沉降降低了50.2%；相比于混凝土預(yù)制樁，沉降降低了53.4%。

樁頂沉降由樁身壓縮變形和樁端沉降組成，相較于水泥土復(fù)合預(yù)制樁，水泥土樁的樁身強(qiáng)度低，樁身壓縮變形大，使得總體沉降偏大?；炷令A(yù)制樁的樁身強(qiáng)度高，壓縮變形小，所以在初始階段混凝土預(yù)制樁沉降變化趨勢(shì)與水泥土復(fù)合預(yù)制樁基本接近，但隨著荷載的增大，混凝土預(yù)制樁的樁端土發(fā)生塑性破壞逐漸失去承載能力，使得總體沉降陡增。

水泥土復(fù)合預(yù)制樁的大直徑相較于混凝土預(yù)制樁可以在提供更大側(cè)摩阻力的同時(shí)，有效降低樁側(cè)土和樁周土發(fā)生塑性破壞的可能性，從而獲得更高的承載力。而對(duì)于水泥土樁的樁身強(qiáng)度較低，樁身變形大的問題，水泥土復(fù)合預(yù)制樁通過在水泥土樁中插入高強(qiáng)度混凝土預(yù)制樁，有效降低樁身變形。所以，水泥土復(fù)合預(yù)制樁充分結(jié)合了水泥土樁和混凝土預(yù)制樁兩種樁型的優(yōu)勢(shì)。

3 水泥土復(fù)合預(yù)制樁荷載傳遞機(jī)理

但是對(duì)于水泥土復(fù)合預(yù)制樁而言，由于樁身內(nèi)外芯在豎向荷載作用下也存在著軸向的相對(duì)位移與剪切，這種樁身內(nèi)部的相互作用也會(huì)反映在樁土作用中，因而荷載的傳遞機(jī)理要比單一材料樁復(fù)雜得多，需要重點(diǎn)分析。數(shù)值模型選取典型計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 典型計(jì)算參數(shù)

3.1 豎向應(yīng)力分析

混凝土預(yù)制樁、水泥土樁的豎向應(yīng)力沿深度分布曲線見圖6。

圖6 豎向應(yīng)力沿深度分布

由圖6可知，混凝土預(yù)制樁樁身應(yīng)力分布可分為兩段。第一段，樁身應(yīng)力在樁頂以下4 m左右深度內(nèi)逐漸增大，原因在于混凝土預(yù)制樁存在向上刺入墊層的現(xiàn)象，水泥土樁相對(duì)于預(yù)制樁有向下位移的趨勢(shì)，產(chǎn)生負(fù)摩阻力，應(yīng)力由水泥土樁向預(yù)制樁集中，在兩者界面相對(duì)位移為0時(shí)，混凝土預(yù)制樁豎向應(yīng)力達(dá)到最大值。第二段，樁身應(yīng)力在達(dá)到最大值后沿深度快速減小，此時(shí)水泥土樁相對(duì)于預(yù)制樁有向上移動(dòng)的趨勢(shì)，產(chǎn)生正摩阻力，混凝土預(yù)制樁豎向應(yīng)力快速向水泥土樁傳遞。樁端荷載為29.5 kN，承擔(dān)了14.5%的樁頂荷載，樁側(cè)摩阻力為172.5 kN，說明水泥土復(fù)合預(yù)制樁樁頂荷載主要通過側(cè)摩阻力承擔(dān)，樁端承擔(dān)荷載較少，這也符合摩擦樁的特征［14］。

3.2 豎向應(yīng)力比分析

混凝土預(yù)制樁與水泥土樁以及復(fù)合樁與樁周土的豎向應(yīng)力比見圖7。

圖7 豎向應(yīng)力比沿深度分布曲線

由圖7可知，混凝土預(yù)制樁與水泥土樁豎向應(yīng)力比值分布可分為兩段。第一段，深度在0～7 m，隨著深度增加，混凝土預(yù)制樁與水泥土樁豎向應(yīng)力比逐漸增大，最大比值為42.8，這是因?yàn)榻缑娈a(chǎn)生負(fù)摩阻力使得豎向應(yīng)力由水泥土樁向混凝土預(yù)制樁集中。第二段，深度在7～15 m，應(yīng)力比由最大值逐漸減小到樁端位置的應(yīng)力比1.6，說明到了樁端的位置，混凝土預(yù)制樁的豎向應(yīng)力已經(jīng)基本通過正摩阻力傳遞到水泥土樁及樁周土中。復(fù)合樁與樁周土豎向應(yīng)力比除了在頂部負(fù)摩阻力區(qū)域逐漸增大，其他位置沿深度快速減小，復(fù)合樁內(nèi)豎向應(yīng)力通過樁側(cè)摩阻力快速向樁周土傳遞，三者協(xié)同承擔(dān)荷載。

在復(fù)合地基承載體系的三個(gè)部分中，混凝土預(yù)制樁的面積占比為2.2%，水泥土樁的面積占比為6.5%，樁周土的面積占比為91.3%。但是由圖6可知，深度為0（樁頂位置）時(shí)，混凝土預(yù)制樁、水泥土樁和樁周土承擔(dān)的樁頂荷載分別為50.5%、19.3%和30.2%，應(yīng)力集中使得混凝土預(yù)制樁承擔(dān)了一半的樁頂荷載，降低了強(qiáng)度較低的水泥土樁和樁周土發(fā)生塑性破壞的可能性。

3.3 界面?zhèn)饶ψ枇Ψ治?/h3>

水泥土復(fù)合預(yù)制樁樁土模型由兩個(gè)界面組成，分別是混凝土預(yù)制樁與水泥土樁接觸界面，以及水泥土樁和樁周土接觸界面，界面?zhèn)饶ψ枇Φ膫鬟f是揭示水泥土復(fù)合預(yù)制樁荷載傳遞規(guī)律的重要內(nèi)容。側(cè)摩阻力沿深度分布曲線見圖8?？芍捎谏喜繅|層的調(diào)節(jié)作用，樁頂位置處出現(xiàn)差異沉降，界面出現(xiàn)相對(duì)位移，所以在兩個(gè)界面樁頂以下一定深度內(nèi)均出現(xiàn)了負(fù)摩阻力。對(duì)于混凝土預(yù)制樁與水泥土樁界面，中性點(diǎn)深度為4.5 m；對(duì)于水泥土樁與樁周土界面，中性點(diǎn)深度為2.4 m，小于混凝土預(yù)制樁與水泥土樁界面中性點(diǎn)深度。這是由于水泥土樁與樁周土的彈性模量相對(duì)差異較小，實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移為0的速度更快。中性點(diǎn)以下，三者相對(duì)位移逐漸增大，混凝土預(yù)制樁與水泥土樁之間良好的黏結(jié)性可以提供更大的側(cè)摩阻力，通過混凝土預(yù)制樁、水泥土樁和樁周土三者的協(xié)同作用，充分發(fā)揮混凝土預(yù)制樁高強(qiáng)度特性，避免材料的浪費(fèi)。

圖8 側(cè)摩阻力沿深度分布曲線

4 結(jié)論

1）水泥土復(fù)合預(yù)制樁可以充分結(jié)合水泥土樁和混凝土預(yù)制樁兩種樁型的優(yōu)勢(shì)，能夠利用水泥土樁側(cè)表面積大的優(yōu)勢(shì)提供較大的側(cè)摩阻力，實(shí)現(xiàn)更高的承載力；在水泥土樁中插入高強(qiáng)度混凝土預(yù)制樁，也可以有效控制沉降變形。

2）混凝土預(yù)制樁、水泥土樁和樁周土承擔(dān)的樁頂荷載分別為50.5%、19.3%和30.2%，應(yīng)力集中使得混凝土預(yù)制樁承擔(dān)了一半的樁頂荷載，降低了強(qiáng)度較低的水泥土樁和樁周土發(fā)生塑性破壞的可能性。

3）混凝土預(yù)制樁與水泥土樁之間良好的黏結(jié)性能，通過混凝土預(yù)制樁、水泥土樁和樁周土三者的協(xié)同作用，充分發(fā)揮混凝土預(yù)制樁高強(qiáng)度特性，避免材料的浪費(fèi)。