董淑海，沈　強(qiáng)，沈宇鵬

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00032； 2.澳門土木工程實(shí)驗(yàn)室，中國澳門　999078；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京　100044)

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某港區(qū)后方交通聯(lián)絡(luò)線淺埋基巖復(fù)合地基沉降特性研究

董淑海1，沈強(qiáng)2，沈宇鵬3

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032； 2.澳門土木工程實(shí)驗(yàn)室，中國澳門999078；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

以某碼頭交通聯(lián)絡(luò)線的CFG樁復(fù)合地基為工程背景，開展淺埋基巖復(fù)合地基的加固機(jī)理研究，采用ABAQUS軟件分析CFG樁端距基巖距離、嵌巖深度和下伏巖性等不同工況對淺埋基巖復(fù)合地基的承載效果。結(jié)果表明，淺埋基巖的CFG樁復(fù)合地基的承載主要由樁體承擔(dān)，但樁間土也能承擔(dān)部分荷載；距基巖距離越小，樁頂處出現(xiàn)的沉降量越小，樁頂處樁土應(yīng)力比越大；嵌巖深度越大，沉降量也越小，而樁頂處樁土應(yīng)力比越大；下部基巖彈性模量越大，沉降量越小，樁頂處的樁土應(yīng)力越大。

淺埋基巖；CFG樁復(fù)合地基；沉降；樁土應(yīng)力比

1　概述

在深厚軟弱地層中，常用CFG樁復(fù)合地基+褥墊層+土工格柵的結(jié)構(gòu)形式，提供較好的承載體，同時(shí)減小結(jié)構(gòu)物的工后沉降。復(fù)合地基在荷載作用下，剛性樁樁頂能夠向上刺入褥墊層，樁端向下能夠刺入持力層，國內(nèi)高速鐵路常常采用這種方式來減小工后沉降[1-6]。然而，在某些巖層埋置較淺的地區(qū)，常將剛性樁接觸或進(jìn)入部分強(qiáng)風(fēng)化基巖，從而充分發(fā)揮巖層的承載作用。在上部荷載作用下，樁頂能向上刺入褥墊層，而樁端向下刺入相對較小，通過合理設(shè)置褥墊層厚度和土工格柵層數(shù)，使上方的豎向應(yīng)力為加筋網(wǎng)墊與樁間土承擔(dān)的豎向應(yīng)力承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)樁土共同作用[7-14]。一些情況下，工程中采用該類型剛性樁復(fù)合地基技術(shù)比采用嵌巖樁基能節(jié)約成本和縮短工期，但因?yàn)槿狈ν暾囼?yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)測資料支持，作用機(jī)理研究落后于工程實(shí)踐。

結(jié)合某港區(qū)后方交通聯(lián)絡(luò)線實(shí)際工程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬總結(jié)分析了CFG樁復(fù)合地基在淺埋基巖地區(qū)的加固機(jī)理，探討了CFG樁下基巖模量、距基巖的距離及嵌巖深度對復(fù)合地基沉降及樁土應(yīng)力比的影響規(guī)律。

2　淺埋基巖復(fù)合地基的加固機(jī)理

就樁的承載能力特點(diǎn)和承載能力來看，可以分為復(fù)合樁基和復(fù)合地基，兩者存在顯著的差異。復(fù)合地基中由于褥墊層的存在，樁間土能夠負(fù)擔(dān)較大比例的上部荷載，當(dāng)復(fù)合地基在正常使用狀態(tài)時(shí)，上部的荷載一直由樁間土和CFG樁共同承擔(dān)。而復(fù)合樁基中的樁和承臺之間的有效聯(lián)接，上部荷載一般由承臺(筏板)傳遞給樁，當(dāng)CFG樁到達(dá)它的極限承載力時(shí)，將會出現(xiàn)一定的刺入沉降，此時(shí)上部荷載會逐漸向樁間土移動，并且最終樁土之間有明確的荷載分擔(dān)；通常假定當(dāng)作用在復(fù)合樁基上的外載小于各個(gè)樁的單樁極限承載力之和時(shí)，外載將全由樁承擔(dān)；當(dāng)施加在復(fù)合樁基上的外荷載超過承臺下的單樁極限承載力之和時(shí)，各樁將始終保持承擔(dān)相當(dāng)于各樁的極限承載力之和的外荷載，樁間土承擔(dān)余下部分。兩者受力特性上的差異，可以用圖1表示。

圖1　復(fù)合樁基和復(fù)合地基概念與受力特性對比

目前，剛性樁復(fù)合地基褥墊層的研究，大部分圍繞樁頂和樁間土的應(yīng)力來討論樁和樁間土各自的發(fā)揮程度；樁頂以上的墊層在受力以后可能會發(fā)生不可壓縮的“彈性核”，使褥墊層調(diào)節(jié)樁土變形功能削弱或喪失，從而達(dá)不到樁土荷載分擔(dān)效果；而應(yīng)用樁端落在基巖上的剛性樁復(fù)合地基更有這種可能。

如圖2所示，在荷載作用下，樁和土都會發(fā)生壓縮變形，由于樁的模量遠(yuǎn)高于土，因此土的變形會大于樁的變形，樁向上刺入褥墊層，褥墊層發(fā)生向外擠出，填補(bǔ)因變形產(chǎn)生的樁土相對位移，使土始終發(fā)揮承載力作用。因此只要土受荷載下的變形量始終小于本試驗(yàn)條件這種極端情況下樁的上刺入變形量，那么就可以保證樁間土始終能夠通過褥墊層與基底接觸，從而承擔(dān)上部荷載。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，樁可以上刺入褥墊層的量較大，而實(shí)際工況中當(dāng)樁周褥墊層有圍壓存在時(shí)，樁向上刺入褥墊層的量相對要小。

盡管褥墊層有調(diào)節(jié)作用，但CFG樁分擔(dān)量比樁間土大得多，CFG樁有往墊層刺入的趨勢，因此在CFG樁體頂部將出現(xiàn)一個(gè)負(fù)摩阻區(qū)。從CFG樁的軸力沿深度分布(圖3)來看，在深度zz0范圍內(nèi)，CFG樁的沉降量大于樁間土，為正摩擦力；在z0以下，樁的軸向應(yīng)力隨深度增加而減小，因此最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在中性點(diǎn)z0處，即樁和樁間土的沉降相等位置。

圖2　樁側(cè)褥墊層受圍壓示意

圖3　CFG樁軸向力隨深度的變化情況

3　案例分析

3.1工程條件

某港區(qū)后方交通聯(lián)絡(luò)線，基底的地層巖性自上而下分述如下。①第四系新近堆積地層(Q4ml)，主要為種植土、人工填土、雜填土等，成分為碎石、黏性土、建筑生活垃圾等，雜色，結(jié)構(gòu)松散，人為因素影響大，成分復(fù)雜，厚0～2.5 m。②第四系全新統(tǒng)(Q4al+pl)，軟塑狀黏性土，局部流塑狀，厚2～10 m。③基巖，侏羅系(J)。砂巖、礫砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，以紫紅、褐紅色為主，強(qiáng)風(fēng)化帶厚0～10 m，弱風(fēng)化帶巖體較完整，如圖4所示。其中，第四系主要為黏土、粉質(zhì)黏土，褐黃、褐灰色，軟-流塑狀，PS值為0.25～1.38 MPa，ES值為1.6～6.1 MPa。

圖4　聯(lián)絡(luò)線基底地層條件(單位：m)

路基寬度13.6 m，路基高4～5 m，底座邊緣以外兩側(cè)設(shè)4%的向外橫向排水坡?；撞捎肅FG樁復(fù)合地基，樁頂設(shè)置50 cm厚碎石褥墊層，而樁底接觸到下部基巖頂面；CFG樁徑400 mm，梅花形布置，間距為1.6 m，如圖5所示。

圖5　聯(lián)絡(luò)線的路基結(jié)構(gòu)(單位:cm)

3.2淺埋基巖復(fù)合地基的現(xiàn)場檢測

（四）及時(shí)補(bǔ)鐵 鐵是造血和防止?fàn)I養(yǎng)性貧血的營養(yǎng)物質(zhì)，新生仔豬體內(nèi)鐵的貯存量一般為50 mg，每日生長代謝約需消耗7 mg，從100 ml的母乳中僅得到0.2 mg左右的鐵，可見，仔豬得不到鐵的補(bǔ)充，可于7日齡左右出現(xiàn)缺鐵性貧血，生長發(fā)育受阻，食欲減退，抵抗力下降，易患白痢。廣西西江農(nóng)場對2日齡的仔豬注射培亞鐵針劑（主要成分為葡聚糖鐵）1 ml（含鐵100 mg），10日齡再注射2 ml，與對照組相比，成活率提高7.62個(gè)百分點(diǎn)，增重提高37個(gè)百分點(diǎn)。廣西農(nóng)墾畜牧研究所對3～5日齡的仔豬肌注牲血素每頭1 ml，增重比對照組提高10.99%，成活率提高15.78%。亦應(yīng)注意銅和鈷的補(bǔ)充。

為了檢測淺埋基巖CFG樁復(fù)合地基中剛性樁的承載性能，在現(xiàn)場進(jìn)行了試樁及工程樁的承載力試驗(yàn)。圖6為試樁的Q-s曲線。從圖6可以看出，單樁極限承載力為624 kN，因此單樁承載力征值取312 kN。

圖6　CFG樁試樁的Q-s曲線

圖7為試樁過程中各測點(diǎn)的樁身受力圖，從圖7可以看出，樁體以端承為主，樁側(cè)只承擔(dān)部分荷載。

圖7　試樁中樁身受力特征(單位：m)

3.3參數(shù)分析

為了分析不同條件下，淺埋基巖的CFG樁復(fù)合地基的承載機(jī)理；選取CFG樁端距基巖距離、嵌巖深度、基巖地彈模等不同參數(shù)，分析樁端沉降和樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律，提出淺埋基巖條件對復(fù)合地基的承載性能的影響，為以后類似的工程提供參考。

3.3.1模型建立

采用ABAQUS軟件仿真分析路基填筑過程中復(fù)合地基的承載性能，模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分如圖8所示，考慮到對稱性，只取一半模型，計(jì)算參數(shù)見表1。土體采用Mohr-Coulomb模型，采用CPE4P單元類型，CFG樁的樁徑為0.4 m，路堤高度5 m，頂寬7 m，坡度為1∶1.5，墊層、路堤采用Mohr-Coulomb模型，取為CPE4R單元。在定義邊界條件時(shí)，在土體的四周設(shè)置法向約束，底部設(shè)置x、y兩個(gè)方向的約束。樁和土設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1；樁端和土體設(shè)置綁定約束。

圖8　模型網(wǎng)格劃分

在實(shí)際施工中，常采用分層填筑，在ABAQUS中的時(shí)間步來控制路堤分級加載情況，施工加載曲線如圖9所示。路堤分為4級加載，分別為墊層、1層填土、2層填土、3層填土，加載后固結(jié)30 d后再加下一級荷載。

表1　計(jì)算中的土體物理力學(xué)參數(shù)

圖9　堆載過程曲線

圖10為路基中心點(diǎn)在不同施工步驟與現(xiàn)場實(shí)測的對比曲線，從圖中可以看出，兩者的趨勢基本相同，數(shù)值上也基本相當(dāng)，說明模擬過程中所取的參數(shù)合理可信，這也為后續(xù)的仿真計(jì)算提供保障。

圖10　實(shí)測與仿真計(jì)算的沉降對比(路基中心)

3.3.3參數(shù)分析

(1)CFG樁端距基巖距離

圖11(a)為樁端距基巖埋深不同時(shí)的樁間土沉降，從圖中可以看出，當(dāng)樁端接觸基巖時(shí)，樁間土沉降量最大值小于9 mm，但隨著樁端距基巖的距離變大(樁長變短)，沉降量逐漸增大，當(dāng)距離增大到2 m時(shí)，樁間土沉降量最大達(dá)到了12.5 mm。

圖11(b)為樁頂處距基巖不同距離時(shí)的樁土應(yīng)力比，從圖中可以看出，樁端處的應(yīng)力比隨著樁端距基巖深度的增加逐漸減小，說明CFG樁樁端與基巖接觸時(shí)，主要由樁體來承擔(dān)上部荷載，而樁間土承擔(dān)小部分，此時(shí)的樁土應(yīng)力比達(dá)25.05。當(dāng)距離超過1 m后，樁土應(yīng)力比當(dāng)不受距離的影響，基本保持不變，大約為11。

圖11　樁端離基巖不同距離

圖12　樁端嵌入基巖不同深度(樁頂處)

(2)嵌巖深度

圖12(a)為CFG樁嵌入基巖不同深度時(shí)的沉降量，從圖可以看出，當(dāng)CFG樁嵌入基巖0.5 m時(shí)，其樁頂處的沉降量大大減??；嵌固深度0.5 m與1.0 m的變形量非常接近，不超過5 mm的變形量，說明沉降量主要為樁體本身的變形，與樁端處的基巖基本無關(guān)。

圖12(b)為樁頂處不同嵌巖深度的樁土應(yīng)力比，樁土應(yīng)力比隨著嵌巖的深度的加大逐漸增大，但嵌巖深度超過0.5 m后，樁土應(yīng)力比的增大幅度非常小，為32～34，說明淺埋基巖的復(fù)合地基中，CFG樁承擔(dān)大部分荷載。

(3)基巖彈模

為分析不同淺埋基巖的彈性模量對CFG樁復(fù)合地基的作用效果的影響，分別考慮砂礫巖(現(xiàn)場)2 GPa，泥巖0.2 GPa和中風(fēng)化花崗巖20 GPa，后兩類巖石的彈模參考《工程地質(zhì)手冊》(第四版)[12]取值。

圖13(a)為CFG樁在不同下伏巖石的沉降量圖，從圖中可以看出，隨著CFG樁下伏巖石彈性模量的增大，樁間土的沉降量更小，說明荷載主要由剛性樁承擔(dān)，樁間土承擔(dān)的荷載更小，這從樁土應(yīng)力比也能體現(xiàn)出來。

圖13(b)為CFG樁在不同下伏淺埋基巖的樁土應(yīng)力比，樁土應(yīng)力比隨著基巖彈性模量的加大逐漸增大，說明隨著樁端的變位的減小，CFG樁將承擔(dān)更大的荷載。

圖13　不同基巖條件下CFG樁復(fù)合地基的受力特征(樁頂處)

4　結(jié)論

(1)淺埋基巖CFG樁復(fù)合地基的承載機(jī)理與普通復(fù)合地基有所不同，它的工作機(jī)理為剛性樁的上刺入褥墊層，而幾乎沒有下刺入基巖條件下，荷載使樁體產(chǎn)生變形，使樁體與樁間土有一定的位移差，將荷載向樁間土傳遞，荷載主要由剛性樁承載。

(2)數(shù)值計(jì)算與實(shí)測沉降的對比，結(jié)果基本吻合，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠。

(3)從單樁載荷試驗(yàn)來看，淺埋基巖的CFG樁的極限承載力接近624 kN。

(4)距基巖距離越小，樁頂處出現(xiàn)的沉降量越?。磺稁r深度越大，沉降量也越小；同樣，下部基巖彈性模量越大，沉降量也越小。

(5)距基巖距離越小，樁頂處樁土應(yīng)力比越大；嵌巖深度越大，樁頂處樁土應(yīng)力比越大；同樣，下部基巖彈性模量越大，樁頂處樁土應(yīng)力比也越大。

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Study on Settlement Characteristics of Composite Foundation in Shallow Bedrock of Linking-up Road near a Harbor

DONG Shu-hai1， SHEN Qiang2， SHEN Yu-peng3

(1.CCCC Third Harbor Consultants Co.， Ltd.， Shanghai 200032， China; 2.Civil Engineering Laboratory Of Macao， Macao 999078， China; 3.School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

Based on the CFG pile composite foundation of a harbor linking-up road， the reinforcement mechanism of composite foundation in shallow bedrock is conducted. With ABAQUS software， the effects of the distance between CFG pile and the bedrock， the rock-socket depth and different lithologies on the bearing capacity of shallow bedrock foundation are analyzed. The results show that the bearing capacity of shallow base rock CFG pile composite foundation in contributed mainly by the piles， but the soil between piles can also bear part of the load. The smaller the distance from the bedrock， the less settlement at the top of the pile and the pile soil stress ratio increases. The greater rock-socket depth， the smaller the settlement and the pile soil stress ratio increases．

Shallow bedrock; CFG pile composite foundation; Settlement; Pile soil stress ratio

2016-02-29；

2016-03-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2015JBM064)

董淑海(1978—)，男，工程師，主要從事港口工程的巖土工程勘測、檢測咨詢等工作。

1004-2954(2016)08-0045-05

TU472

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.010