崔亞楠,洪寶寧,李 凱

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京210098;2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,陜西西安710048)

CFG樁復(fù)合地基是近年來應(yīng)用較多的一種地基處理技術(shù),具有承載力高,沉降變形小,施工速度快、工期較短、質(zhì)量容易控制及工程造價較低等優(yōu)點,因而在建筑地基、高等級公路與高速鐵路等工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但由于加固技術(shù)的加固機理比較復(fù)雜,還存在很多的理論和實際工程問題有待進一步研究[3],特別是下臥層沉降計算研究更為滯后。在CFG樁復(fù)合地基變形研究方面,通常認為復(fù)合地基沉降等于加固區(qū)和下臥層沉降之和[4]。黃生根[5]、楊濤[6]、李海芳[7]等人,通過考慮加固區(qū)的樁土相互作用,假定樁間土豎向位移模式,推導(dǎo)出了柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基沉降的計算式。宋修廣,郭宗杰等[8-9]對路堤荷載作用下復(fù)合地基的變形進行了研究。隨后許多學(xué)者對CFG樁的承載特性及沉降計算以及設(shè)計和施工技術(shù)等進行了分析研究,積累了許多研究成果及工程經(jīng)驗。

由于數(shù)值計算能較全面地考慮各種因素,所以本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上以某高速公路路基工程為研究背景[10-13],采用有限元法系統(tǒng)分析了該工程高填方路段典型斷面中,樁端土模量與厚度、樁長與樁體模量等相關(guān)因素對CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)力及變形變化規(guī)律的影響。為CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)用提供參考,并且有利于減少工程造價,提高工程質(zhì)量。

1 工程概況計算模型與參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,廣東省某高速公路沿線的軟土主要為第四系淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及飽和軟塑、流塑狀粉質(zhì)粘土,以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主。其地層分布從上到下依次為:①粉質(zhì)粘土。該土層厚度2.1 m～3.4 m,上部含有0.3 m左右的耕植土。②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。該層厚度為5.80 m～10.6 m。③粉質(zhì)粘土夾粉土。該層厚度為2.4 m～4.8 m。④細沙。該層厚度為5 m。呈灰白色、飽和、松散、含有較多粘粒,略有粘性,底部含有少量碎石。各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

由于軟土層厚度較大,而且軟土層具有觸變性、流動性、不均勻性、高壓縮性等特點,受到震動后,易成稀釋狀、易發(fā)生剪切變形、差異性垂向沉降等現(xiàn)象,上部填土后,地基土的承載力較差,此不良土層為路堤產(chǎn)生沉降與發(fā)生失穩(wěn)的主要不良地基土層,為了增加地基承載力和減小沉降,擬采用CFG樁進行地基加固處理。

2 計算模型建立與驗證

2.1 建立計算模型

依據(jù)規(guī)范要求,樁體呈正方形分布,沿路基橫向每排布置,樁長15 m,樁間距2.0 m,樁徑0.5 m,鋪設(shè)0.4 m的碎石褥墊層[14-15]。根據(jù)路堤受力為平面應(yīng)變問題的特點,運用有限元分析軟件Plaxis建立一個典型路堤斷面二維有限元模型,考慮對稱性,取路基的一半進行分析計算,計算模型如圖1。

地基土豎向計算深度取30.0 m,橫向計算寬度取70.0 m,路堤邊坡的坡率為1:1.5,計算時土的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型,樁體混凝土與褥墊層采用線彈性模型,考慮樁土之間的相對滑動及土體和樁體的重力。樁土之間設(shè)置界面單元來模擬樁土之間的相互作用。

圖1 計算模型簡圖

邊界條件:左、右邊界水平和豎向約束,不排水;上邊界水平和豎向均自由,排水;下邊界水平和豎向均約束,排水。

2.2 計算參數(shù)的選用

為了分析不同條件下復(fù)合地基地表沉降變形的規(guī)律,分別按照不同的樁體彈性模量、不同樁長、不同下臥土層厚度以及不同的下臥層壓縮模量進行數(shù)值計算。表2～表5為計算時所選用的參數(shù)。

表2 不同下臥層壓縮模量計算參數(shù)

表3 不同下臥土層厚度計算參數(shù)

表4 不同樁體彈性模量計算參數(shù)

表5 不同樁長計算參數(shù)

2.3 有限元模型及參數(shù)驗證

為驗證有限元模型及計算參數(shù)的正確性,采用某單樁載荷試驗數(shù)據(jù)予以對比。該公路工程CFG樁復(fù)合地基施工完畢后,工程驗收時對某單樁進行了靜載試驗,其數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 單樁載荷試驗數(shù)據(jù)

依此單樁載荷試驗,進行有限元模擬加載分析。利用前述有限元模型及參數(shù),模擬單樁載荷試驗。

由表6可見,有限元計算值與現(xiàn)場實測值基本相符,證明了所選模型與參數(shù)的適用性。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 下臥層模量對復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

下臥土層不同壓縮模量的模擬計算結(jié)果見圖2、圖3,由圖2可以看出當(dāng)下臥土層壓縮模量一定時,隨著荷載的增大,樁土應(yīng)力比隨之增大;相同荷載時下臥土層壓縮模量越大,樁土應(yīng)力比越大。這可以理解為樁端土層的持力性能較高時,樁體承擔(dān)較大的應(yīng)力;持力性能較低時,樁體刺入土層中,樁土應(yīng)力比隨之減小。由圖3可以看出當(dāng)下臥土層壓縮模量大于60 MPa時,路基沉降量有變緩的趨勢,此時路基沉降量已趨于平穩(wěn)變化幅度很小;但總體來看,下臥土層的壓縮模量對復(fù)合地基的沉降影響比較大。

圖2 下臥層模量對樁土應(yīng)力比的影響

3.2 下臥土層厚度對復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

數(shù)值計算分析結(jié)果如圖4、圖5所示,由圖4可以看出,下臥土層厚度對樁土應(yīng)力比有影響。在一定荷載范圍內(nèi),隨著荷載的增加,樁土應(yīng)力比隨之增大;相同荷載時下臥土層厚度越大,樁土應(yīng)力比越小。這是因為本例中下臥土層壓縮模量較小,當(dāng)下臥層厚度較大時,樁體成為“懸浮樁”與端承樁相比較樁土應(yīng)力減小。由圖5中看出,隨下臥層厚度增大,復(fù)合地基沉降亦不斷增大且增幅越來越大。這就說明當(dāng)樁端不能達到持力較好的土層而形成“懸浮樁”時,下臥土層的厚度對復(fù)合地基的沉降量影響較大。

圖3 不同下臥土層壓縮模量下的P-S曲線

圖4 下臥層厚度對樁土應(yīng)力比的影響

圖5 不同下臥土層厚度時的P-S曲線

3.3 樁身彈性模量對復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

數(shù)值計算分析結(jié)果如圖6、圖7所示,由圖6可以看出,樁土應(yīng)力比隨樁身彈性模量的增大而增大,但當(dāng)大于10 GPa時,樁土應(yīng)力比基本一致。由圖7也可以得到相似的結(jié)論,即當(dāng)樁身彈性模量大于10 GPa時,復(fù)合地基的沉降變化也趨于一致。這說明,樁身的彈性模量對復(fù)合地基的沉降并不會產(chǎn)生很大的影響。

3.4 樁長對復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響

數(shù)值計算分析結(jié)果如圖8、圖9所示,在圖8中,樁土應(yīng)力比隨樁長的增大而增大,超過復(fù)合地基沉降的比例極限范圍后,樁土應(yīng)力比的增長開始趨緩或減小。隨著荷載的繼續(xù)增大短樁的側(cè)摩阻力發(fā)揮到極限,樁端土體也開始產(chǎn)生塑性變形,其樁土應(yīng)力比開始有所下降,而長樁仍未達到極限承載力,樁土應(yīng)力比還是不斷增大。在圖9中,表現(xiàn)為隨著荷載的增大,短樁較之于長樁的沉降迅速增大。由此可以得出復(fù)合地基的變形隨著樁長的增加而顯著的減小。

圖6 樁身模量對樁土應(yīng)力比的影響

圖7 不同樁身模量時的P-S曲線

圖8 樁長對樁土應(yīng)力比的影響

圖9 不同樁長時的P-S曲線

4 結(jié) 論

采用數(shù)值分析法,分析了不同因素對CFG樁復(fù)合地基應(yīng)力與變形的影響,可得如下結(jié)論:

(1)隨下臥土層壓縮模量的增大,樁土應(yīng)力比隨之增大,路基沉降總體呈減少的趨勢;在本例中當(dāng)下臥土層壓縮模量大于60 MPa時,路基沉降量有變緩的趨勢,此時路基沉降量已趨于平穩(wěn)變化幅度很小。

(2)當(dāng)下臥土層厚度較大,而強度不足時,會形成“懸浮樁”,此時復(fù)合地基的沉降主要發(fā)生在下臥層中,其沉降隨下臥層厚度的增加而不斷增大。

(3)樁土應(yīng)力比隨樁體彈性模量的增大而增大,而當(dāng)樁體彈性模量大于6 GPa時,樁土應(yīng)力比基本一致。路基沉降總體呈減少的趨勢。

(4)隨著樁長的逐漸增大,樁土應(yīng)力比增大而復(fù)合地基地表沉降減小,且減小幅度較明顯。

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