堆載加芯攪拌樁復(fù)合地基荷載傳遞與變形特性

宋鑫宇,徐光黎*,劉府生，周 革,袁 智

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

復(fù)合地基加固法能有效提高軟土地基的承載力，是既有軟土路基加固的主要形式[1-2]。根據(jù)豎向增強(qiáng)體的剛度，形成復(fù)合地基的樁基礎(chǔ)可劃分為柔性樁與剛性樁，其中柔性樁最具有代表性的為水泥土攪拌樁[3]。水泥土攪拌樁具有施工無(wú)震動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)擠土、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但樁身強(qiáng)度低，荷載不能有效傳遞到樁身下部，當(dāng)樁頂水泥土被壓壞時(shí)，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的樁側(cè)摩阻力未能全部發(fā)揮限制了單樁承載力的提高[4-5]。加芯攪拌樁是基于深層攪拌樁施工方法發(fā)展起來(lái)的。加芯攪拌樁由水泥土外殼樁、內(nèi)芯樁兩部分組成，內(nèi)芯樁可由鋼筋混凝土、素混凝土、鋼材等材料組成，將內(nèi)芯樁在水泥土攪拌樁初凝前插入其中，加芯攪拌樁利用大的比表面積來(lái)提供摩阻力，同時(shí)用高強(qiáng)度的樁芯來(lái)承擔(dān)上部荷載[6]，理論上是一種經(jīng)濟(jì)有效的軟土地基處理方法，而且施工便利、快捷、對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染。

董平等[7]結(jié)合單樁靜載試驗(yàn)，采用彈塑性有限元模型研究加芯水泥土攪拌樁在豎向荷載下的力學(xué)性狀。王馳等[8]根據(jù)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)以及有限元分析方法，討論芯長(zhǎng)比、含芯率對(duì)加芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基的荷載傳遞和沉降變化的影響。張石友等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)分析加芯水泥土攪拌樁的承載機(jī)理。陳穎輝等[10]通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬軟件分析豎向荷載作用下加芯水泥土攪拌樁單樁位移、軸力、側(cè)摩阻力的變化規(guī)律。李丹等[11]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究加芯水泥土攪拌樁群樁復(fù)合地基承載特性。目前加芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基單樁承載力試驗(yàn)以及復(fù)合地基載荷板試驗(yàn)研究成果比較成熟，但對(duì)于路基堆載這種大面積柔性荷載工況的復(fù)合地基研究較少?；诖?，針對(duì)路基堆載工況，現(xiàn)結(jié)合基底沉降、分層沉降、內(nèi)芯樁應(yīng)力、地基深層水平位移等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，建立不同芯長(zhǎng)比三維有限元數(shù)值模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，研究堆載作用下加芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基內(nèi)外芯樁以及樁間土的荷載傳遞規(guī)律和變形特性，以期為路基堆載工況下加芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載、變形特點(diǎn)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)相似工程案例分析具有參考、借鑒意義。

1 工程概況

新建鐵路衢州至寧德鐵路NDQGDK0+000～NDQGDK0+063段路基工程(寧德站)屬于濱海相沉積地貌，地形平坦，貫通線地跨越兩個(gè)地貌單元，地勢(shì)標(biāo)高相差較大，地面標(biāo)高4～24 m。目前溫福線寧德站已通車，人為活動(dòng)較頻繁，交通便利。本次軟土路基處理工程研究區(qū)段位于寧德站項(xiàng)目NDQGDK0+010～NDQGDK0+011里程范圍，軟土厚度約16 m，路基最終填筑高度3.2 m，水泥土外殼樁徑500 mm，樁長(zhǎng)18 m，樁間距1.4 m，布設(shè)形式為正方形，水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，每米水泥用量為55 kg/m，水灰比為0.6，粉煤灰摻入比為0.05%，內(nèi)芯樁截面為正方形，尺寸0.2 m×0.2 m，長(zhǎng)度13.5 m，芯長(zhǎng)比n=0.75(定義芯長(zhǎng)比n為內(nèi)芯樁長(zhǎng)度與水泥土外殼樁長(zhǎng)度的比值)，內(nèi)芯樁主筋為4Φ10鋼筋，樁身采用C30砼預(yù)制。

研究區(qū)地層主要為：①淤泥，深灰色，流塑，揭示層厚為1.50～25.00 m；②粉質(zhì)黏土，灰黃色，可塑，揭示層厚為1.35～13.35 m，各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of physical and mechanical parameters of each layer

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

研究區(qū)段設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在路基中心處布設(shè)定點(diǎn)壓力沉降計(jì)和沉降板，用于監(jiān)測(cè)基底沉降；路基中心處布設(shè)分層沉降監(jiān)測(cè)鉆孔，孔深30 m，儀器布設(shè)深度分別為2、6、12、20、27、30 m；路基中心處內(nèi)芯樁主筋上安裝混凝土應(yīng)力計(jì)，測(cè)量不同深度內(nèi)芯樁鋼筋應(yīng)力變化，安裝完成后澆筑C30砼進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、預(yù)制，應(yīng)力計(jì)安裝位置分別位于內(nèi)芯樁2、4、7、10、13.5 m處；在堆載坡腳處布設(shè)測(cè)斜孔，孔深17 m，孔內(nèi)布設(shè)測(cè)斜儀，監(jiān)測(cè)地基深層水平位移，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器的安裝與埋設(shè)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器的安裝與埋設(shè)Fig.1 Installation and burying of field monitoring instruments

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間樁頂分5次進(jìn)行堆載，高度共計(jì)1.35 m，邊坡坡比1∶1.5，逐次堆載高度及土層如下：①堆載碎石0.25 m；②堆載細(xì)砂0.1 m；③堆載碎石0.25 m；④堆載砂土0.5 m；⑤堆載填土0.25 m。堆載工況以及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)日期如表2所示，監(jiān)測(cè)斷面及儀器布設(shè)如圖2所示。

表2 堆載工況與監(jiān)測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)表Table 2 Corresponding table of stacking condition and monitoring time

圖2 監(jiān)測(cè)斷面及儀器布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring section and instrument layout

3 數(shù)值模擬

由于場(chǎng)地以及監(jiān)測(cè)儀器的局限性，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)只能得到堆載中心處基底沉降、分層沉降、內(nèi)芯樁豎向應(yīng)力以及堆載坡腳處地基水平位移，對(duì)于加固區(qū)內(nèi)水泥土外殼樁以及樁間土缺乏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用MIDAS/GTS NX數(shù)值模擬軟件建立與實(shí)際工況對(duì)應(yīng)的三維有限元模型，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并定義5種不同芯長(zhǎng)比進(jìn)行內(nèi)芯樁、水泥土外殼樁豎向應(yīng)力，內(nèi)芯樁、水泥土外殼樁側(cè)摩阻力、水泥土外殼樁與樁間土側(cè)摩阻力以及基底沉降的對(duì)比分析，進(jìn)而研究整個(gè)軟土路基加固區(qū)的荷載傳遞規(guī)律和變形特征。

3.1 模型建立

結(jié)合寧德站牽出線工程的實(shí)際工況，在填筑高度為1.35 m的堆載作用下，分別建立5種芯長(zhǎng)比(n=0、0.33、0.5、0.75、1.0)加芯攪拌樁復(fù)合地基有限元分析模型。由于軟土路基加固區(qū)呈對(duì)稱分布，以路基中心線為界限，取加固區(qū)的一半作為研究對(duì)象，路基坡率為1∶1.5，路基底寬為8.42 m；樁體布設(shè)形式為正方形，樁間距1.4 m，模型水平方向長(zhǎng)度為20 m，路基坡腳以外長(zhǎng)度為11.58 m，模型深度方向取30 m；水泥攪拌樁長(zhǎng)度為18 m，鋼筋砼內(nèi)芯樁截面為正方形，截面尺寸為0.2 m×0.2 m，各材料、屬性以及界面參數(shù)如表3和表4所示，復(fù)合地基各部分網(wǎng)格劃分如圖3所示。

施工階段分析控制共分為三大步：①進(jìn)行下覆地層初始應(yīng)力的激活，并進(jìn)行位移清零；②進(jìn)行樁基礎(chǔ)及各個(gè)界面的激活，并進(jìn)行位移清零；③進(jìn)行路基堆載，堆載分5次進(jìn)行。

3.2 結(jié)果分析

圖4為芯長(zhǎng)比n=0.75復(fù)合地基模型豎向位移云圖，由圖4可知在路基堆載中心處基底沉降量最大，為36.26 mm，路基邊緣以及深部地層沉降量相應(yīng)減小，沉降趨勢(shì)符合水泥攪拌樁復(fù)合地基變形規(guī)律[12]。

表3 模型材料參數(shù)Table 3 Model material parameters

表4 模型界面參數(shù)Table 4 Model interface parameters

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Model grid division

選取路基中心點(diǎn)處基底沉降、分層沉降以及內(nèi)芯樁豎向應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到圖5～圖7所示曲線，結(jié)果顯示數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，該模型各材料、界面屬性參數(shù)取值較合理。

以芯長(zhǎng)比n=0.75復(fù)合地基模型為例(圖8)，在路基加固深度較淺位置，樁間土的沉降量大于樁體沉降量，且存在一中性點(diǎn)，在中性點(diǎn)處樁與樁間土沉降量相等，這一規(guī)律對(duì)于其他芯長(zhǎng)比復(fù)合地基模型同樣適用。

圖4 芯長(zhǎng)比n=0.75復(fù)合地基數(shù)值模擬豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement nephogram of numerical simulation of composite foundation with core length ratio n=0.75

圖5 路基中心基底沉降對(duì)比圖Fig.5 Comparison of settlement of subgrade center base

圖6 分層沉降對(duì)比圖Fig.6 Comparison of layered settlement

選取堆載高度為1.35 m工況下路基中心點(diǎn)處加芯水泥攪拌樁作為研究對(duì)象，得出如圖9～圖12所示的內(nèi)芯樁、水泥土外殼樁豎向應(yīng)力以及內(nèi)外樁界面、樁土側(cè)摩阻力隨深度的變化曲線，在基底位置，樁頂存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，內(nèi)芯樁相比水泥土外殼樁分擔(dān)了更多豎向應(yīng)力。在中性點(diǎn)以上，樁間土與水泥土外殼樁界面為負(fù)摩阻力，樁間土荷載以側(cè)摩阻力的形式向水泥土外殼樁傳遞，隨著深度的增加，內(nèi)芯樁豎向應(yīng)力不斷增大，而水泥土外殼樁豎向應(yīng)力以及內(nèi)外樁界面?zhèn)饶ψ枇Τ尸F(xiàn)減小趨勢(shì)，且趨于一穩(wěn)定值，內(nèi)芯、外殼樁間側(cè)摩阻力同樣減小至一穩(wěn)定值，說(shuō)明水泥土外殼樁的作用由傳遞上部豎向應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為傳遞樁間土側(cè)摩阻力。中性點(diǎn)至內(nèi)芯樁端深度范圍內(nèi)，內(nèi)芯樁豎向應(yīng)力減小，內(nèi)芯、外殼樁側(cè)摩阻力方向改變，數(shù)值增大，此時(shí)水泥土外殼樁的功能仍為傳遞剪切應(yīng)力。在內(nèi)芯樁端至水泥土外殼樁端深度范圍內(nèi)，由于該段不存在內(nèi)芯樁，水泥土外殼樁改變傳遞荷載方式，即主要承受上部?jī)?nèi)芯樁、水泥土外殼樁傳遞的豎向應(yīng)力，對(duì)應(yīng)水泥土外殼樁豎向應(yīng)力增大，且豎向應(yīng)力曲線存在最大值，說(shuō)明樁體在傳遞上部荷載時(shí)存在有效樁長(zhǎng)[13-14]，符合水泥土攪拌樁荷載傳遞規(guī)律。在內(nèi)芯樁端處水泥土外殼樁與樁間土作用的側(cè)摩阻力突然增大，是由于上部荷載傳遞至樁端應(yīng)力擴(kuò)散的結(jié)果。

圖7 內(nèi)芯樁豎向應(yīng)力對(duì)比圖Fig.7 Comparison of vertical stress of inner core pile

圖8 芯長(zhǎng)比n=0.75復(fù)合地基模型樁與樁間土沉降-深度變化曲線Fig.8 Settlement depth curve of model pile and soil between piles in composite foundation with core length ratio n=0.75

圖9 鋼筋砼內(nèi)芯樁豎向應(yīng)力-深度變化曲線Fig.9 Vertical stress depth curve of reinforced concrete inner core pile

圖10 水泥土外殼樁豎向應(yīng)力-深度變化曲線Fig.10 Vertical stress depth curve of cement soil shell pile

圖11 內(nèi)芯、外殼樁側(cè)摩阻力-深度變化曲線Fig.11 Variation curve of side friction depth of inner core and outer shell piles

圖12 外殼樁與樁間土側(cè)摩阻力-深度變化曲線Fig.12 Variation curve of skin friction depth between shell pile and soil between piles

隨著芯長(zhǎng)比的增加，一方面樁體傳遞豎向荷載的能力提升，即有效樁長(zhǎng)增加(圖9)，另一方面，減少水泥土外殼樁在含芯段的豎向應(yīng)力分擔(dān)，同時(shí)增長(zhǎng)水泥土外殼樁承擔(dān)傳遞剪應(yīng)力功能的長(zhǎng)度，減少樁土界面負(fù)摩阻力大小，有利于沉降控制(圖10～圖12)。

為研究復(fù)合地基基底沉降變形與應(yīng)力分擔(dān)，將復(fù)合地基基底區(qū)分為樁間土(B-B′)與樁頂(A-A′)，如圖13所示。

圖13 復(fù)合地基數(shù)值模擬基底分區(qū)Fig.13 Base zoning of numerical simulation of composite foundation

由圖14可知，增加芯長(zhǎng)比會(huì)減少基底的沉降量，且內(nèi)芯樁長(zhǎng)度占比越大，沉降控制效果越明顯。曲線突起處對(duì)應(yīng)加芯水泥攪拌樁樁頂，可見樁頂?shù)某两敌∮趦蓚?cè)樁間土的沉降，驗(yàn)證了上文所述的在路基加固區(qū)淺層樁間土的沉降量大于水泥攪拌樁的沉降量。由圖15可知，隨著芯長(zhǎng)比的增加，基底在樁間土的沉降量也隨之減小。

圖14 基底樁頂沉降-深度變化曲線(A-A′)Fig.14 Settlement depth curve of pile top in foundation (A-A′)

圖15 基底樁間土沉降-深度變化曲線(B-B′)Fig.15 Settlement depth curve of foundation soil between piles (B-B′)

圖16 基底樁頂豎向應(yīng)力-距離變化曲線(A-A′)Fig.16 Vertical stress distance curve of pile top of foundation (A-A′)

圖17 基底樁間土豎向應(yīng)力-距離變化曲線(B-B′)Fig.17 Vertical stress distance curve of soil between foundation piles (B-B′)

選取芯長(zhǎng)比n=0和n=0.75兩個(gè)復(fù)合地基模型，基底豎向應(yīng)力分擔(dān)對(duì)比如圖16和圖17所示，可以看出，內(nèi)芯樁的存在使樁頂?shù)膽?yīng)力集中效應(yīng)明顯，能有效減少直接作用于土體表面的豎向應(yīng)力數(shù)值，將荷載更多地集中在樁體上，從而傳遞到深層地基土體中。同時(shí)，經(jīng)過(guò)樁體的荷載分擔(dān)之后，加芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基中作用于土體表面的荷載明顯小于未加芯水泥土攪拌樁復(fù)合地基，進(jìn)而減小了基底土體的沉降變形量。在實(shí)際工程建設(shè)中，芯長(zhǎng)比的選擇應(yīng)根據(jù)樁的承載力要求、沉降控制要求以及投資成本綜合確定。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證以及對(duì)不同芯長(zhǎng)比復(fù)合地基模型的結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)在堆載作用下，路基加固區(qū)淺層存在中性點(diǎn)，中性點(diǎn)處樁與樁間土沉降量相等。在中性點(diǎn)以上，鋼筋砼內(nèi)芯樁應(yīng)力集中，主要承擔(dān)豎向應(yīng)力，水泥土外殼樁主要承擔(dān)內(nèi)芯樁以及樁間土傳遞的側(cè)摩阻力，在中性點(diǎn)以下至內(nèi)芯樁端范圍內(nèi)，荷載傳遞先由內(nèi)芯樁傳遞至水泥土外殼樁，進(jìn)而以側(cè)摩阻力形式向樁間土傳遞，在內(nèi)芯樁端至水泥土外殼樁端范圍內(nèi)，水泥土外殼樁改變荷載傳遞方式，主要承擔(dān)上部傳遞的豎向應(yīng)力。

(2)增加芯長(zhǎng)比會(huì)增加樁體的有效樁長(zhǎng)，有效地分擔(dān)水泥土外殼樁豎向應(yīng)力，增長(zhǎng)水泥土外殼樁承擔(dān)傳遞剪應(yīng)力功能的長(zhǎng)度，減少作用在樁土界面的負(fù)摩阻力值，達(dá)到控制沉降的效果。

(3)增加芯長(zhǎng)比能有效控制基底樁頂以及樁間土的沉降量，減少作用在樁間土上的荷載，從而控制樁間土體的沉降量。