張 超

(湖南華罡交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司)

我國幅員遼闊，軟土在國內(nèi)分布十分廣泛，以天然的軟土做地基進(jìn)行高速公路工程和其他構(gòu)筑物的建設(shè)，必須要將地基進(jìn)行人工加固處理，這種對(duì)軟弱地基進(jìn)行加固增加其強(qiáng)度的處理過程叫做地基處理。

目前國內(nèi)外軟土地基的處理方案主要有復(fù)合地基加固處理法、砂礫墊層法、排水固結(jié)處理法、預(yù)制混凝土樁、高真空擊密法及強(qiáng)夯法等幾種。相比一般的基礎(chǔ)工程，預(yù)制混凝土樁基的質(zhì)量更好、施工也更快，是最常見的基礎(chǔ)工程。大量的工程實(shí)踐讓我們了解到，預(yù)制管樁可以在預(yù)制場(chǎng)集中生產(chǎn)，起吊運(yùn)輸方便，成樁質(zhì)量可靠、樁身耐打，耐久性好。

1 管樁復(fù)合地基

作為埋入土中的柱形桿件，管樁的作用是將上部荷載傳至深部堅(jiān)硬土層或巖層之上，當(dāng)周圍的土被預(yù)制管樁壓密或擠開時(shí)，則形成剛性樁復(fù)合地基。管樁復(fù)合地基主要有豎向受荷和橫向受荷的承載性能。當(dāng)受到豎向受壓荷載時(shí)，樁頂荷載將承受樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。沉樁施工時(shí)，樁尖被打入土體，破壞了原來土的初應(yīng)力，壓縮了樁尖下的土體，使其產(chǎn)生較大的變形，從而阻礙了尖樁的下降。當(dāng)樁壓力不斷增大，樁尖的抗剪強(qiáng)度無法承受應(yīng)力時(shí)，變形達(dá)到極限的土體則會(huì)產(chǎn)生擠密性的側(cè)移或塑性流動(dòng)(粘性土)和下拖。地面深處，由于受到上覆土層的壓力，樁周的土體被橫向擠開，從而完全破壞了貼近樁周的土體結(jié)構(gòu)。

2 管樁復(fù)合地基法在高速公路軟基處理中的應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)介

地處沖積平原的X高速公路 K4+000～K30+150，軟土廣泛地分布在公路沿線，其中呈現(xiàn)灰白色或者深灰色的為軟土層局部缺失狀態(tài)，薄薄的腐殖質(zhì)、貝殼及夾粉細(xì)砂層蘊(yùn)含其中。地質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)沿線的軟土分布沒有規(guī)律，平原沖積發(fā)育兩層軟土，沿線地質(zhì)以第一層為主(約14.5 km長(zhǎng))，厚度變化很大(0.9～24.05 m之間)。第一層軟土從上至下依次由人工填土、亞粘土、亞砂土、砂性土以及巖石風(fēng)化層構(gòu)成。第二層軟土埋藏深度較大，厚度變化也比較大(0.7～16.1 m之間)，但是長(zhǎng)度比較小(約4.3 km長(zhǎng))。

2.2 管樁復(fù)合地基法在高速公路路段軟土地基的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過模擬分析佛開高速公路處理地基土，復(fù)合地基的方法最為適宜，將其地基變形規(guī)律數(shù)據(jù)加以分析，以便對(duì)老路結(jié)構(gòu)和路面拓寬的影響加以推斷，最終得出復(fù)合地基法處理軟土地基可行。同時(shí)需要根據(jù)沉降控制設(shè)計(jì)理論，使復(fù)合地基參數(shù)能夠優(yōu)化到滿足不同路面結(jié)構(gòu)的程度，從而達(dá)到不同路面結(jié)構(gòu)對(duì)沉降差異的要求。

2.2.1 基本假定

在進(jìn)行有限元分析時(shí)作了以下的假定:

(1)利用有限元中的PLANE對(duì)路堤橫斷進(jìn)行分析，考慮到問題的對(duì)稱性，取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究;

(2)有限元分析時(shí)假定地基土是彈塑性模型(摩爾—庫倫屈服準(zhǔn)則)，路堤土、砂墊層采用的是彈性模型，而復(fù)合地基則假定為復(fù)合土層;

(3)構(gòu)筑路基的材料均假定為均質(zhì)材料;

(4)利用有限元進(jìn)行計(jì)算時(shí)排除墊層中土工格柵加筋的影響;

(5)利用假定地下水位在地表處的方法來考慮地下水的影響;

(6)邊界條件:結(jié)構(gòu)左右邊界分別為橫向固定約束和垂直固定約束，左右邊界均無水平位移;同時(shí)，下邊界和垂直方向上分別有來自橫向和豎向固定約束，無水平和豎直位移，其余的邊界條件自由;左邊界與下邊界面完全由不透水層組成，而右邊界只有部分由透水層組成，主要分布在砂墊層和地面與砂層的右側(cè)。其余的土層邊界均為不透水邊界。

2.2.2 計(jì)算模型

(1)幾何模型。

從路堤拓寬標(biāo)準(zhǔn)斷面中選擇出一個(gè)計(jì)算斷面來分析工程中路基所用的軟土處理措施及軟土分布的特點(diǎn)。

(2)網(wǎng)格劃分圖。

有限元網(wǎng)格使用平面四邊形四節(jié)點(diǎn)等參單元。

(3)計(jì)算工況。

用50 cm的砂墊層+1 m間距的塑料排水板處理原有路基。路基的拓寬采用管樁復(fù)合地基(樁長(zhǎng)18 m)，其間距分別為2.0 m、2.4 m、2.8 m;分層填筑路堤。

(4)計(jì)算參數(shù)。

以復(fù)合土體的強(qiáng)度作為復(fù)合地基計(jì)算參數(shù)，依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2002規(guī)定，由于目前沒有規(guī)范推薦管樁復(fù)合地基的復(fù)合土層模量方法，所以采用與復(fù)合地基樁體性質(zhì)相似的CFG樁體公式

式中:Esp為攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量，kPa;Ep為攪拌樁的壓縮模量，kPa;Es為攪拌樁的壓縮模量，kPa;m為面積置換率;fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa;fak為基礎(chǔ)地基底面下天然地基承載力特征值，kPa。

2.2.3 管樁復(fù)合地基法計(jì)算結(jié)果分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

(1)沉降。

由于管樁屬于剛性樁，當(dāng)在樁頂設(shè)計(jì)蓋板后，樁的應(yīng)力集中隨之增大，再加上樁身材料的剛性強(qiáng)，路堤上的大部分荷載被樁體承擔(dān)，因此路基的沉降度大為減少。從擬建工程計(jì)算斷面沉降云圖可看出，8～10 cm之間為斷面最大沉降量范圍，隨著新填路堤坡向四周分散，沉降也隨之逐漸減少。

可以參照復(fù)合地基沉降控制的設(shè)計(jì)思路來優(yōu)化管樁地基設(shè)計(jì)參數(shù)，從復(fù)合地基面積置換率與老路面最大沉降比之間的關(guān)系曲線圖1可以看出:將蓋板設(shè)置在管樁樁頂之后，樁和蓋板之間則形成了一個(gè)復(fù)合樁體，蓋板面積與單位復(fù)合樁體處理面積之間的比率則為復(fù)合樁體的面積置換率。為了進(jìn)行比較方便的對(duì)比，樁體截面面積與單位處理面積之間的比率和老路面最大沉降比之間的關(guān)系曲線也同樣列出，如圖2所示。

根據(jù)模擬計(jì)算出路面結(jié)構(gòu)的結(jié)果，采用新老路面差異沉降橫坡坡比為0.45%時(shí)，管樁復(fù)合地基的面積置換率為26.77%(樁間距2.49 m)能夠滿足設(shè)計(jì)要求;采用新老路面差異沉降橫坡坡比為0.5%，那么管樁復(fù)合地基的面積置換率為19.57%(樁間距2.91 m)同樣能夠滿足設(shè)計(jì)要求。進(jìn)行施工時(shí)過度保守的面積置換率會(huì)給工程建設(shè)的影響帶來不利。所以建議采用路面橫向沉降比為0.4%～0.5%(2.0～3.0 m)。

圖1 蓋板面積置換率與老路面橫向沉降比關(guān)系曲線

圖2 樁體面積置換率與老路面橫向沉降比關(guān)系曲線

(2)水平位移。

分析結(jié)果表明管樁復(fù)合地基能夠很好地提高地基穩(wěn)定性，特別是能很好地限制基土的水平位移，各種樁間距下地基的水平位移都比較小(一般只有1～3 cm)。

3 結(jié)語

(1)管樁處理對(duì)于深厚軟土路基的加固能夠起到很好的效果，使用管樁處理，地基土的水平位移能夠得到很好的限制，從而大大提高了路基的穩(wěn)定性。而且與CFG樁復(fù)合地基法、排水固結(jié)法以及柔性樁復(fù)合地基法相比，管樁處理不僅施工過程控制簡(jiǎn)單，而且能夠處理更大的地基深度，成樁質(zhì)量也更高。

(2)綜合分析模擬工程實(shí)況，考慮路面橫向差異沉降和項(xiàng)目投資，得出該工程管樁布置的合理間距為2.0～3.0 m。

［1]孫四平，侯蕓，郭忠印，等.舊路加寬綜合方案設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮［J］.華東公路，2002，56(5):7-10.

［2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTJ F10-2006)［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［3]陳祥福.沉降計(jì)算理論及工程實(shí)例［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.