李善珍，馬學寧，田兆斌

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

長短樁復合地基的豎向增強體由長樁和短樁組成，其中長樁宜采用剛性樁，短樁宜采用柔性樁或散體材料樁[1]。長樁起到支撐和傳遞荷載的作用，可將上部荷載傳遞到有堅硬下臥層的地基深處，減小加固區(qū)沉降；短樁的主要作用是加固路堤基底軟弱土層，提高承載力，消除軟弱土層的不均勻沉降。長樁和短樁間隔布置，既可以提高地基承載力，又可以滿足較高的沉降控制標準，還能節(jié)約成本。由于高速鐵路對軌道平順性和路基工后沉降的要求較嚴格，長短樁復合地基憑借其承載力高、沉降小、經(jīng)濟合理的特點被逐步應用到高速鐵路工程建設中。

隨著長短樁復合地基在高速鐵路建設中的應用，國內外學者對路堤荷載下長短樁作用機理、沉降及承載特性的研究也逐步深入。在理論分析方面，文獻[2]基于固結理論，推導長短樁復合地基的沉降計算方法。文獻[3]分析國內外長短樁復合地基的變形及受力計算方法，提出計算長短樁復合地基沉降和承載力的新方法。在模型試驗方面，文獻[4]通過室內大型離心模型試驗研究路堤荷載下復合地基的工作機理，認為長短樁復合地基有較好的應用前景。文獻[5，6]進行一系列長短樁復合地基室內模型試驗，分析長短樁復合地基在不同樁間距、不同樁長比、不同布樁形式下的沉降及承載特性。在數(shù)值模擬方面，文獻[7]運用ANSYS模擬分析CFG樁、石灰樁復合地基的受力和承載特性，提出控制長短樁復合地基沉降的關鍵因素是剛性長樁。在工程應用方面，文獻[8]以居民樓地基加固為工程背景，研究長短樁復合地基的受力、變形，提出長短樁間隔布置和減小下部樁身水泥摻入比的優(yōu)化設計方法。文獻[9，10]結合不同的方法(如試驗和數(shù)值模擬相結合的方法)，對長短樁復合地基的沉降及承載特性進行研究。

由于長短樁復合地基是多種樁型和長度的組合，其位移協(xié)調及作用機理比較復雜[11，12]，設計中常采用民用建筑剛性基礎下復合地基的設計理論，與實際相差較大。關于高速鐵路長短樁復合地基的工程實例相對較少，缺乏相關經(jīng)驗。隨著西部大開發(fā)的不斷推進，我國高速鐵路在西北黃土地區(qū)發(fā)展較快，長短樁復合地基應用前景較好。因此，有必要對路堤柔性荷載下長短樁加固黃土地基的工作性能進行研究，為工程實踐和理論研究提供參考。

1 室內模型試驗

蘭新第二雙線某試驗區(qū)段主要為黃土地基，黃土層較厚，設計中采用長短樁加固處理，布樁形式為正方形布置。長樁為CFG樁，樁徑0.4 m，樁間距1.8 m，樁長18 m；短樁為水泥土擠密樁，樁徑0.4 m，樁間距0.9 m，樁長8 m；樁頂墊層采用水泥土墊層，厚度1 m。具體樁體布置如圖1所示。

圖1 樁體布置圖(單位：m)

1.1 模型相似分析

模型試驗的設計必須滿足模型與原型的物理、幾何、邊界等條件相似。物理相似關系滿足

Cμ=1Cε=Cγ=1Cσ=CECτ=CG

(1)

式中：Cμ、Cε、Cσ、CE分別為泊松比、法向應變、法向應力、彈性模量的相似系數(shù)；CG、Cτ和Cγ分別為剪切模量、剪應力和剪應變的相似系數(shù)。

幾何相似關系滿足

(2)

式中：Cu、Cl分別為豎向位移、長度的相似系數(shù)。

剛度相似滿足

(3)

式中：Ck為剛度的相似系數(shù)。

邊界條件相似包括邊界的約束、支撐、受力條件的相似?；趶椥粤W，得出模型與原型的邊界相似關系

(4)

結合試驗條件確定模型的幾何相似比為1∶18，其他物理量按照以上分析換算。

1.2 試驗方案

通過室內模型試驗研究路堤柔性荷載下，不同樁長比和樁間距對天然地基加固效果的影響。根據(jù)研究內容，確定6種試驗方案，見表1。

表1 試驗方案

注：D為長短樁的樁徑，本文取4 cm。

1.3 試驗模型箱

本次試驗模型箱由四塊鋼板拼接而成，尺寸為120 cm×60 cm×120 cm，如圖2所示。為模擬實際工程的邊界條件，在模型箱內壁鋪一層塑料布，并在塑料布與模型箱之間涂一層凡士林，減小邊界效應對試驗結果的影響。

圖2 模型箱整體布置圖

1.4 填土性質

試驗土體為實際工程范圍內常見黃土，通過土工試驗確定其主要物理力學指標。其中，最大干密度1.86 g/cm3，最優(yōu)含水率15%，液限26%，塑限15%。

為清楚觀察復合地基的加固效果，取地基土體壓實度為75%。在最優(yōu)含水率下，采用分層填筑夯實的方法填土，在模型箱四角各放置一根細鋼筋，并在鋼筋上每隔10 cm作標記，按預定壓實度計算每層土體的質量，先松鋪，再將其夯實到標記處。

1.5 測點布置

實際工程中，長樁為CFG樁，短樁為水泥土擠密樁，根據(jù)二者剛度的差異確定在模型試驗中長樁采用尼龍棒模擬，短樁采用水泥土夯實樁模擬，樁徑均為4 cm。水泥土配合比為水泥∶干黃土=1∶10，水泥土的最佳含水率為17%，最大干密度1.7 g/cm3。試驗按93%的壓實度嚴格控制短樁成樁質量。

由于短樁為水泥土夯實樁，在短樁上無法貼應變片，且本次試驗主要目的是研究短樁及其樁間距對長樁的影響，因此只對長樁進行樁身應力測試。沿樁長方向每隔20 cm貼1個應變片，并將應變片對應的引線做好標記。為了使樁體和土體之間有良好的摩擦效果，貼好應變片后在樁體表面涂抹一層環(huán)氧樹脂，再用細砂均勻包裹。

為測量樁頂和樁間土的應力，對土體進行壓實、平整后，在相應位置布置土壓力盒。為防止土壓力盒移動，將土壓力盒的導線用U形卡固定在樁間土上，具體測點布置如圖3所示。模型填筑完成后，讓其在自重作用下固結48 h，再鋪2 cm厚的水泥土作為褥墊層，協(xié)調長短樁及樁間土的變形。

圖3 模型試驗測點布置圖(單位：cm)

1.6 加載方法

本次模型試驗采用分級加載的方法。具體方法是：采用分級加載方式進行加載，從10 kPa開始，每級增加10 kPa，共12級。加載前和加載后分別記錄加載板的沉降量，當1 h內沉降量小于0.1 mm時，認為本級荷載下的沉降達到穩(wěn)定，繼續(xù)加下一級荷載，直至最后一級，即120 kPa。

在加載過程中，由安放在加載板四個角上的百分表測量加載板的沉降。每級荷載作用下的最終沉降值取四個百分表讀數(shù)的平均值。

2 樁長比對長短樁復合地基的影響

為了分析樁長比η對長短樁復合地基工作性能的影響，在保持長樁長度100 cm和短樁樁間距3D不變的條件下，通過改變短樁長度，設置了三種樁長比0.5、0.75、1進行研究。

2.1 樁長比對沉降的影響

圖4為不同樁長比η下長短樁復合地基的荷載-沉降曲線。從圖4可以看出，與天然地基相比，長短樁復合地基沉降明顯減小，加固效果明顯，且樁長比越大，沉降越小，曲線的斜率越小。

圖4 地基的荷載-沉降曲線

在荷載水平較低(低于40 kPa)時，天然地基沉降與長短樁復合地基的沉降差別不大，四條曲線沉降量基本線性增加，表明地基處于彈性工作階段。隨著荷載水平的增加(從40 kPa增到100 kPa)，天然地基和復合地基的沉降差逐漸增大，天然地基沉降速率加快，荷載-沉降曲線呈非線性增加，表明部分土體已進入塑性變形階段。當荷載在100～120 kPa之間變化時，天然地基沉降迅速增加，最大達27.26 mm，這是由于天然地基承載能力有限，在較大荷載下達到極限承載狀態(tài)而破壞；樁長比0.5、0.75、1的長短樁復合地基沉降分別為12.41 mm、7.35 mm、5.11 mm，均未破壞，沉降與天然地基相比分別減少了54.4%、73.0%、83.1%。這表明是否設置短樁以及短樁長度對控制復合地基沉降有較大影響。

隨著短樁長度的增加，樁間土的擠密區(qū)域也隨之增加，短樁的擠密對減小短樁加固區(qū)土體的不均勻沉降起積極作用；長樁對短樁起到一定的“護樁”作用，與短樁一起控制周圍土體的變形，能夠提高地基承載力。

2.2 樁長比對長樁樁身應力的影響

由于篇幅限制僅以η=0.5為例分析不同荷載水平下長樁樁身應力隨埋深的變化規(guī)律，結果如圖5所示。從圖5可以看出，加載初期(20～40 kPa)，樁身應力沿深度方向衰減較快。隨著荷載逐步增加(40 kPa增加至120 kPa)，樁身應力逐漸增大。在同一荷載水平下，樁身應力在距樁頂10～40 cm范圍內衰減較慢，距樁頂40 cm以下衰減較快，在樁端處達到最小值，此時樁端應力明顯小于樁頂應力。這是由于加載初期荷載較小，長樁樁身應力較小，其承載能力遠未發(fā)揮；隨著荷載的增加，應力逐漸向長樁轉移，長樁樁身應力明顯增加；另外，隨著荷載增加，樁端應力也逐漸增大，即長樁可在全樁長范圍內傳遞荷載。

圖5 長樁樁身應力隨荷載的變化曲線

為了研究樁長比η對長短樁復合地基長樁樁身應力的影響，取荷載120 kPa進行分析，結果如圖6所示。由圖6可知，在同一荷載水平下，不同樁長比η的長樁樁身應力沿埋深的分布規(guī)律相同，均呈遞減趨勢，且隨η的增加，樁身應力減小。當η=0.5時，長樁應力最大；隨著短樁長度的增大，長樁樁身應力逐漸減小，在η=1時，長樁樁身應力達到最小值。這是由于η較小時，長樁承擔了大部分荷載，隨著η的增加，短樁分擔的荷載逐漸增大，長樁分擔的荷載逐漸減小。

圖6 樁長比η對長樁樁身應力影響曲線

2.3 樁長比對長樁樁土應力比的影響

圖7為長樁樁土應力比隨樁長比η的變化曲線。從圖7可以看出，長樁樁土應力比隨樁長比η的增大而減?。煌粯堕L比時，隨著荷載水平的增加，樁土應力比先增大后緩慢減小，最大值出現(xiàn)在不同荷載水平下。當η=0.5時，最大樁土應力比為10.35，出現(xiàn)在荷載80 kPa時；當η=0.75和1時，最大樁土應力比分別為6.96和6.22，分別出現(xiàn)在80 kPa和90 kPa荷載下。當荷載在100～120 kPa之間時，樁長比0.75和1的長樁樁土應力比較接近。當荷載超過一定范圍繼續(xù)增加時，墊層的協(xié)調變形作用使樁間土分擔的荷載越來越大，樁土應力比逐漸減小。

圖7 樁長比η對長樁樁土應力比影響曲線

2.4 樁長比對長樁荷載分擔比的影響

圖8為長樁荷載分擔比隨樁長比η的變化規(guī)律。由圖8可知，在同一級荷載作用下，隨著η的增加長樁的荷載分擔比呈減小趨勢；隨著荷載的增加，不同η下長樁的荷載分擔比差值逐漸減小。

圖8 樁長比η對長樁荷載分擔比影響曲線

在同一荷載下，隨著短樁長度的增加，短樁和樁間土的等效彈性模量提高，使短樁和樁間土分擔了更多荷載，減小了長樁承擔的荷載。當荷載達到120 kPa時，不同樁長比下的長樁荷載分擔比較接近，η=0.75和1的長樁荷載分擔比分別為46%和45%，二者基本相同，這表明短樁存在一個最佳樁長，當樁長大到一定程度后，樁長的增加對荷載分擔比的貢獻不大。

通過以上分析可知，樁長比不同，沉降減小的幅度不同，長樁的樁身應力、樁土應力比及荷載分擔比也存在差異。因此，在實際工程中，應根據(jù)選用的長短樁類型、沉降控制標準等，綜合分析工程造價、地質條件、荷載水平等因素確定合理的樁長比。

3 樁間距對長短樁復合地基的影響

為了更好地分析樁間距對路堤荷載下長短樁復合地基的影響，本節(jié)在η=0.5的條件下，分析短樁間距分別為2.5D、3D、3.5D(對應的長樁間距為5D、6D、7D)時，長短樁復合地基的工作性能。

3.1 樁間距對沉降的影響

圖9為η=0.5時，樁間距對長短樁復合地基沉降影響曲線。由圖9可知，與天然地基相比，長短樁復合地基樁間距在控制地基沉降方面也有重要作用。樁間距越小，復合地基沉降曲線的斜率越小，對控制地基沉降越有效；在相同樁間距條件下，荷載水平較低(低于40 kPa)時，4條曲線差別不大，表明此時樁間距對沉降的影響不大，這與樁長比對地基沉降影響的規(guī)律相似；隨著荷載水平的增加(從40 kPa增至120 kPa)，樁間距越小，復合地基的沉降越小。

當樁間距為3.5D、3D、2.5D時，復合地基最大沉降值分別為14.89 mm、10.75 mm、6.37 mm，比天然地基沉降分別減小了45.3%、60.56%、76.6%。當荷載為40 kPa時，樁間距2.5D的沉降比樁間距3D和3.5D分別減小20.9%、36.89%；當荷載達到120 kPa時，樁間距2.5D的沉降比樁間距3D、3.5D分別減小40.7%、57.2%。雖然樁間距越小，復合地基沉降越小，但這并不代表樁間距越小工程適用性越好。因此確定樁間距時，應在滿足沉降和承載要求的基礎上，充分考慮工程造價及施工的難易程度。

圖9 樁間距對復合地基沉降影響曲線

3.2 樁間距對長樁樁身應力的影響

為了分析路堤荷載下長短樁復合地基中長樁樁身應力隨樁間距的變化規(guī)律，取荷載120 kPa進行研究，結果如圖10所示。由圖10可知，三條曲線的整體趨勢相同；相同荷載水平下，隨著樁間距的增加，長樁的樁身應力增加；樁間距不同時，樁身應力隨樁體埋深均呈衰減趨勢，但衰減速率有差異。

圖10 樁間距對長樁樁身應力影響曲線

樁間距為3.5D時，長樁的應力最大，這是由于短樁和樁間土的等效彈性模量較小，剛性長樁承擔了大部分荷載；隨著樁間距的減小，長樁的樁身應力逐漸減小，當樁間距為2.5D時，長樁的應力最小。在不同樁間距下，樁身應力沿深度衰減的速率也不同，這是由于樁間距減小，水泥土夯實短樁對樁周土體的加固作用明顯，加之短樁的面積置換率增加，短樁分擔了部分荷載，有效減小了長樁應力。

3.3 樁間距對樁土應力比的影響

圖11為長樁樁土應力比隨樁間距的變化曲線。從圖11可以看出，在同一荷載水平下，長樁樁土應力比隨樁間距的增加而增大，不同樁間距下，最大樁土應力比出現(xiàn)在不同荷載水平下。樁間距為3D時，最大樁土應力比為10.35，出現(xiàn)在80 kPa荷載時；樁間距為2.5D、3.5D時，最大樁土應力比為7.89、13.5，均出現(xiàn)在90 kPa附近。當荷載在100～120 kPa之間時，樁間距為2.5D、3D時的長樁樁土應力比均緩慢減小。這是由于樁間距較大時，長樁的應力集中現(xiàn)象明顯，褥墊層的變形協(xié)調作用也使樁間土和短樁承擔的荷載增加。

圖11 樁間距對長樁樁土應力比影響曲線

3.4 樁間距對荷載分擔比的影響

圖12為長樁荷載分擔比隨樁間距的變化規(guī)律。由圖12可知，在同一荷載水平下，樁間距不同時，荷載分擔比變化趨勢基本一致，均隨樁間距的減小而減小，且荷載分擔比的差值隨著荷載的增加逐漸減小。

圖12 樁間距對長樁荷載分擔比的影響

當荷載取120 kPa時，樁間距為3D和2.5D的長樁荷載分擔比分別為50.0%、42.5%，二者較接近，樁間距為3.5D的長樁荷載分擔比達60.0%，這說明樁間距存在一個最優(yōu)值，并不是越小越好。

通過以上分析可得，樁間距越小，長短樁復合地基的沉降變形越小，承載能力越高。但為了充分發(fā)揮長樁的承載特性，應綜合考慮地基沉降、地基承載力、工程造價及施工難度等選取最優(yōu)樁間距。

4 結論

本文基于模型試驗數(shù)據(jù)，探討樁長比、樁間距對長短樁復合地基沉降及長樁樁身應力、樁土應力比、荷載分擔比的影響，得到如下結論：

(1)通過分析不同樁長比η下長短樁復合地基的受力及變形特性，得到短樁長度對沉降影響較大，加固黃土地基效果明顯。隨著樁長比η的增大，復合地基沉降、長樁樁身應力、樁土應力比、荷載分擔比均減小，這是由于短樁分擔了部分荷載。且短樁越長，分擔的荷載越大。

(2)短樁樁間距為3.5D、3D、2.5D時的復合地基最大沉降值比天然地基最大沉降分別減小45.3%、60.56%、76.6%；長樁樁身應力、荷載分擔比和樁土應力比隨著短樁間距的增加而增大。

(3)隨著荷載水平的增加，樁土應力比先增加后減小，且樁長比和樁間距不同時，樁土應力比最大值出現(xiàn)位置不同。

(4)短樁長度的增加、樁間距的減小均可有效降低長樁承擔的荷載，并明顯減小復合地基沉降。綜上，確定長短樁復合地基短樁長度和樁間距時，應綜合考慮地基沉降、上部荷載及承載力等的要求，同時注意工程成本和施工難度。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB/T 50783—2012 復合地基技術規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2012.

[2]BJERRUM L A,SKEMPTON A W.A Contribution to the Settlement Analysis of Foundation on Clay[J].Géotechnique, 1957,7(4):168-178.

[3]唐春華.長短樁復合地基承載力與沉降計算研究[D].廣州:廣州大學,2013.

[4]ALLERSMA H G B,BARTSCH M.Centrifuge Tests on Methods Stabilizing Embankments[C]//Proceedings of Advances in Geotechnical Engineering.Jordan:ASCE publications,2004：311-332.

[5]朱小軍,楊敏,楊樺,等.長短樁組合樁基礎模型試驗及承載性能分析[J].巖土工程學報,2007,29(4):580-586.

ZHU Xiaojun,YANG Min,YANG Hua,et al.Study on Bearing Behaviors and Model Tests of Composite Pile Foundation with Long and Short Piles[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(4):580-586.

[6]熊巨華,李鋒利,朱小軍,等.長短樁組合樁基礎的模型實驗[J].同濟大學學報:自然科學版,2008,36(10):1 337-1 343.

XIONG Juhua,LI Fengli,ZHU Xiaojun,et al.Model Test of Composite Long-short Pile Foundation[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2008,36(10):1 337-1 343.

[7]ZHENG J J,ABUSHARAR S W,WANG X Z.Three-dimensional Monlinear Finite Element Modeling of Composite Foundation Formed by CFG-lime Piles[J].Computers and Geotechnics,2008,35(4):637-643.

[8]楊新安,黃宏偉,程軍.粉噴樁加固復合地基數(shù)值模擬研究[J].鐵道學報,2000,22(S):11-14.

YANG Xin′an,HUANG Hongwei,CHENG Jun.Study on DJM Pile Composite Foundation with Numerical Simulation Method[J].Journal of the China Railway Society,2000,22(S):11-14.

[9]左坤,劉維正,張瑞坤,等.路堤荷載下剛柔長短樁復合地基承載特性研究[J].西南交通大學學報,2014,49(3):379-385.

ZUO Kun,LIU Weizheng,ZHANG Ruikun,et al.Bearing Behaviors of Composite Foundation with Rigid-flexible and Long-short Piles under Embankment Load[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2014,49(3):379-385.

[10]鮑樹峰.剛柔長短組合樁-網(wǎng)復合地基工作性狀研究[J].鐵道工程學報,2014(7):22-27.

BAO Shufeng.Research on the Behaviors of Rigid-flexible and Long-short Piles-net Composite Foundation[J].Journal of Railway Engineering Society,2014(7):22-27.

[11]楊敏,楊樺,王偉.長短樁組合樁基礎設計思想及其變形特性分析[J].土木工程學報,2005,38(12):103-108.

YANG Min,YANG Hua,WANG Wei.Design Philosophy and Settlement Analysis of the Composite Long-short Pile Foundations[J].China Civil Engineering Journal,2005,38(12):103-108.

[12]LIANG F Y,CHEN L Z,HAN J.Integral Equation Method for Analysis of Piled Rafts with Dissimilar Piles under Vertical Loading[J].Computers and Geotechnics,2009,36(3):419-426.