樁網(wǎng)復(fù)合地基對公路軟土地基沉降的影響研究

蘇艷歡

（廣西工程技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

軟土在我國分布廣泛，尤其在一些濱江臨海地區(qū)，公路修建不可避免地要穿過軟土地區(qū)，但是軟土地基具有工后沉降大，易發(fā)生不均勻沉降的特點(diǎn)，對軟土地基的變形控制一直是公路設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

關(guān)于軟土地基的病害問題，鄧少梅[1]、張建偉等[2]對軟土地基的病害成因及常用工程措施進(jìn)行研究，得出結(jié)論，在軟土地區(qū)修建交通設(shè)施容易出現(xiàn)滲水、不均勻沉降以及開裂等工程病害，王迎豐等[3]對軟土地基的加固進(jìn)行研究，得出結(jié)論：在軟土地基加固中可以使用水泥攪拌樁法、碎石樁法、土工合成材料法和排水固結(jié)法等對其工后沉降進(jìn)行控制，從節(jié)約成本的角度考慮，強(qiáng)夯法是一種不錯(cuò)的加固方法。但是學(xué)者們對采用樁網(wǎng)復(fù)合地基結(jié)構(gòu)以及對軟土地基的加固研究相對較少，樁網(wǎng)復(fù)合地基的沉降研究鮮有報(bào)道。

基于此，該文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對樁網(wǎng)復(fù)合地基的沉降規(guī)律進(jìn)行研究，以明確振動次數(shù)，格柵層數(shù)、樁身剛度及振動幅度對軟土地基沉降的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為樁網(wǎng)復(fù)合地基的加固設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图凹虞d方案

1.1 模型試驗(yàn)

使用相似原理進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)所用模型箱長、寬、高為2 m×2 m×2 m，模型試驗(yàn)用土全部來自于現(xiàn)場工點(diǎn)，模型用土從下往上依次為30 cm 厚的粉質(zhì)黏土，75 cm 厚的淤泥質(zhì)黏土，20 cm 厚的粉質(zhì)黏土，試驗(yàn)所用各類土的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型用土力學(xué)參數(shù)

模型試驗(yàn)中的樁分為剛性樁和柔性樁。使用長1.00 m、外徑50 mm、內(nèi)徑46 mm、彈性模量為80 GPa 的不銹鋼樁作為模型試驗(yàn)中的剛性樁，使用長1.00 m、外徑50 mm、內(nèi)徑46 mm、彈性模量為1 GPa 的PVC 管作為模型試驗(yàn)的柔性樁，具體模型試驗(yàn)示意圖如圖1 所示。

圖1 模型試驗(yàn)示意圖

1.2 加載方案

首先，在路基上施加靜載，模擬列車自重對地基沉降的影響，然后施加不同頻率和不同幅值的循環(huán)荷載，以模擬列車動載對地基沉降的影響，施加完動荷載后，繼續(xù)持載一段時(shí)間后，加載下一工況[4-5]，模型試驗(yàn)荷載施加如圖2 所示。

圖2 循環(huán)荷載施加示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同深度處地基沉降的變化如圖3 所示，由圖可知，隨著振動次數(shù)增加，不同位置處地基土的沉降都在增加，且地基沉降隨振動次數(shù)的變化可以分為2 個(gè)階段，在前1萬次振動時(shí)，地基沉降變形較快，但振動次數(shù)超過1 萬次后，地基沉降變形速率顯著減少，存在1 個(gè)臨界振動次數(shù)，當(dāng)振動次數(shù)小于該臨界值時(shí)，地基沉降變形隨振動次數(shù)增加快速增加，當(dāng)振動次數(shù)超過該臨界值后，地基沉降變形隨振動次數(shù)增加逐漸減少，該臨界值并不是固定不變的數(shù)值，隨著地基土深度減少，該值逐漸增大，這主要是由于較深的地基土受到的動應(yīng)力較小，地基土變形較小，但深度較淺的地基土受到的動荷載較大，土顆粒之間的相對位移并不能很快地穩(wěn)定下來，因此深度較淺的地基土需要經(jīng)受更多次數(shù)振動后，地基沉降變形速率才能逐漸降低，此外，深度越大的地基土其沉降變形越小，主要是深處地基土的沉降變形也累計(jì)反映在淺層地基土的沉降上，因此地基土深度越淺，其沉降變形越大。

圖3 振動次數(shù)對沉降變形的影響

為了研究格柵層數(shù)對地基沉降變形的影響規(guī)律，對鋪設(shè)了一層格柵和兩層格柵工況下的地基沉降進(jìn)行研究，不同格柵層數(shù)對地基沉降變形的影響如圖4 所示，由圖可知，隨著格柵由一層變?yōu)閮蓪樱谙嗤恢锰?，兩層格柵工況下的沉降變形更小。在路基頂面（d=0 m），一層格柵工況下的沉降變形為2.2 mm，兩層格柵工況下的沉降變形為1.5 mm，減少了0.7 mm，但是在地基土較深的情況下（d=0.8 m），一層格柵和兩層格柵工況下，地基土沉降變形差距僅為0.1 mm，由此可以說明，當(dāng)格柵層數(shù)由一層增加至兩層可以有效減少淺層地基土沉降，但是對深層地基土的沉降沒有顯著影響。這種現(xiàn)象主要是由于隨著深度增加，動應(yīng)力逐漸衰減，當(dāng)深度較深時(shí)，動應(yīng)力衰減很嚴(yán)重，格柵由一層變?yōu)閮蓪硬]有使土顆粒所受到的附加應(yīng)力發(fā)生顯著變化，因此增加格柵層數(shù)并不會對深層地基土的沉降變形產(chǎn)生顯著的影響，隨著格柵層數(shù)由1 層變?yōu)? 層，格柵對路堤土的約束作用增強(qiáng)，格柵的套箍作用顯著，所以格柵由一層變?yōu)閮蓪訒r(shí)，其路堤表面的沉降顯著減少。

圖4 格柵層數(shù)對沉降變形的影響

為了研究樁體剛度對地基沉降變形的影響，對剛性樁和柔性樁2 種工況下的地基沉降進(jìn)行測試，樁體剛度對沉降變形的影響如圖5 所示，由圖可知，在相同位置處，使用剛性樁工況的沉降變形顯著減少，如在路堤頂面處的沉降，使用剛性樁的沉降位移為2.0，但使用柔性樁的沉降位移增至4.4mm，沉降位移增加了2.4mm，同樣地，在較深處的地基土，使用剛性樁工況下的沉降變形為0.5mm，但是使用柔性樁工況下的位移增至2.2mm，沉降位移增加了1.7mm，由此說明，樁體的剛度顯著影響地基沉降，這主要是由于在受到動荷載作用后，較強(qiáng)的樁體剛度發(fā)生的變形較小，樁之間的土拱效應(yīng)更強(qiáng)，樁間填土的附加應(yīng)力增加較小，因此增大狀體剛度可以有效減少地基沉降，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以使用標(biāo)號較高的混凝土進(jìn)行施工，以提高樁體剛度，減少地基沉降。

圖5 樁體剛度對沉降變形的影響

不同列車種類對路基施加的動荷載不同，為了研究動荷載幅值對地基沉降變形的影響，先進(jìn)行振幅為3 kN 的加載試驗(yàn)，待變形穩(wěn)定后再進(jìn)行振幅為4 kN 的加載試驗(yàn)，2 種振幅下地基沉降變形的變化規(guī)律如圖6 所示，由圖可知，在3 kN 振幅下加載10 萬次后地基沉降變形逐漸穩(wěn)定，隨后進(jìn)行振幅為4 kN 的加載，地基沉降變形又增加，同樣地，在連續(xù)加載工況下，地基土在剛開始的振動中變形快速發(fā)展，隨著振次增加變形逐漸趨于穩(wěn)定，在連續(xù)加載中地基土的變形與初次加載的變形規(guī)律相同。以路堤表面地基沉降變形為例，在振幅為3 kN 的工況下其沉降由0.7 mm 增至1.5 mm，增加了0.8 mm，當(dāng)振幅增加為4 kN 時(shí)，其沉降由1.5 mm 增至3.0 mm，變形增加了1.5 mm，由此說明振幅的大小顯著影響地基沉降變形的大小，對深度較深處的地基土，當(dāng)振幅為3 kN 時(shí)沉降增加了0.2 mm，當(dāng)振幅為4 kN 時(shí)，沉降也增加了0.2 mm，與路堤表面處的地基沉降相比，較深處的地基土沉降變形受振幅的影響較小。

圖6 振幅對沉降變形的影響

采用樁網(wǎng)復(fù)合地基對軟土地基進(jìn)行加固后，在承受動荷載的過程中，樁的變形也至關(guān)重要，振動次數(shù)對樁身變形的影響如圖7 所示，由圖7 可知，在不同振動次數(shù)下，樁身應(yīng)變都存在一個(gè)突變點(diǎn)，結(jié)合模型試驗(yàn)可知，該突變點(diǎn)正好位于粉質(zhì)黏土與淤泥質(zhì)黏土的交界處，為地層土質(zhì)發(fā)生變化的點(diǎn)，由于粉質(zhì)黏土的填筑密度較高且土體的抗剪強(qiáng)度更大，因此在粉質(zhì)黏土層樁身應(yīng)變隨深度減少而基本不變，但在淤泥質(zhì)黏土層，由于淤泥質(zhì)黏土的密度較低且抗剪強(qiáng)度不大，土對樁變形的約束作用不顯著，因此在淤泥質(zhì)黏土層，樁身應(yīng)變隨著深度減少而快速增大。在同一位置處，隨著振動次數(shù)增加，樁身應(yīng)變在逐漸增大，主要原因是地基土沉降對樁產(chǎn)生下拉力，隨著振動次數(shù)增加，地基土的沉降變形越大，對樁的下拉力就越大，因此樁身應(yīng)變隨著振動次數(shù)增加逐漸增加。此外，在同一位置處，樁身應(yīng)變的增加速率逐漸減慢，與地基土沉降速率隨著振動次數(shù)的變化趨勢有相同的發(fā)展趨勢。

圖7 振動次數(shù)對樁身變形的影響

格柵層數(shù)對樁身應(yīng)變的影響如圖8 所示，由圖可知，隨著格柵由一層變?yōu)閮蓪樱瑯渡響?yīng)變隨即變小，主要原因在于增加了一層格柵后，格柵對墊層橫向變形的約束增大，削弱了動應(yīng)力向地基土中的傳遞，減少了地基土中的附加應(yīng)力，減少了地基土沉降變形的同時(shí)減少了地基土對樁的下拉力，因此格柵由一層增加為兩層后樁身應(yīng)變變小。

圖8 格柵層數(shù)對樁身變形的影響

3 結(jié)論

該文采用模型試驗(yàn)對樁網(wǎng)復(fù)合地基的沉降變形進(jìn)行研究，明確了振動次數(shù)，格柵層數(shù)、樁身剛度及振動幅度對軟土地基沉降的影響規(guī)律，主要得到以下3 個(gè)結(jié)論： 1）隨著振動次數(shù)增加，不同位置處地基土的沉降都在增加，且地基沉降隨振動次數(shù)的變化可以分為2 個(gè)階段，當(dāng)前1 萬次振動時(shí)，地基沉降變形較快，但振動次數(shù)超過1 萬次后，地基沉降變形速率顯著變小。2）振動次數(shù)及振動幅值對軟土地基沉降有顯著影響，振動次數(shù)越多，振動幅值越高，地基沉降就越顯著。3）增加樁身剛度、增加格柵層數(shù)可以有效的減少地基沉降，因此采用樁網(wǎng)復(fù)合地基結(jié)構(gòu)對軟土地基進(jìn)行加固時(shí)，使用剛性樁并鋪設(shè)2 層格柵可以減少沉降。