翟玉雄

(中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司 北京 100000)

1 引言

地基沉降變形是高速鐵路研究的主要問(wèn)題，而且地基沉降受多方面因素的影響。李仁強(qiáng)等[1]應(yīng)用PLAXIS有限元軟件，對(duì)影響長(zhǎng)短樁復(fù)合地基穩(wěn)定性的影響因素逐一進(jìn)行分析，結(jié)果表明CFG樁長(zhǎng)的變化對(duì)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降造成的影響較大。周同和等[2]通過(guò)兩組四樁多樁型剛性樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，分析了多樁型剛性長(zhǎng)短樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力、荷載分擔(dān)及其發(fā)展變化的工作性狀。劉吉福等[3]在分析樁土沉降關(guān)系和樁土作用的基礎(chǔ)上，提出了路堤下剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算新方法為附加應(yīng)力法。許興旺[4]結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)其布樁組合形式、計(jì)算方法、施工工藝及沉降控制經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)地研究。李善珍等[5]結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究不同樁長(zhǎng)比、不同短樁間距對(duì)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降及長(zhǎng)樁承載特性的影響。馬天忠等[6]研制了室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，在單樁、4根組合樁及8根組合樁工況下通過(guò)伺服加載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了加載，全面分析了樁身承載力和變形特性。楊光華等[7]提出了軟土地基剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算的簡(jiǎn)化方法。胡金山[8]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)比分析螺桿樁和CFG樁復(fù)合地基承載特性。申永江等[9]針對(duì)雙排抗滑樁前、后排樁受力與變形差異較大，前、后排抗滑樁無(wú)法充分發(fā)揮抗滑作用以及沉埋式抗滑樁因沉埋深度過(guò)大可能引起越頂破壞的問(wèn)題，提出了雙排長(zhǎng)短組合抗滑樁的支護(hù)形式。葉彩娟[10]在蘭州至中川機(jī)場(chǎng)城際鐵路建設(shè)中采用水泥摻量為12%、16%、20%的水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理并觀測(cè)其沉降，運(yùn)用雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法預(yù)測(cè)復(fù)合地基的沉降，研究水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降發(fā)展規(guī)律及沉降控制效果。賈世濤[11]以北京地鐵薊門橋站為工程背景，針對(duì)PBA地鐵車站穿越各類土層的情況，采用Midas Gts NX有限元分析軟件建立實(shí)體模型，模擬施工過(guò)程的各階段以研究過(guò)程中引起的地層沉降規(guī)律。

綜上可知，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多是基于理論分析或者從大方面來(lái)研究復(fù)合地基的變形沉降影響因素，而對(duì)于濕陷性黃土區(qū)復(fù)合地基的沉降變形研究較少。本文借助于大型有限元軟件ABAQUS對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，分析長(zhǎng)樁、短樁樁體的彈性模量大小對(duì)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降特性的影響。

復(fù)合地基采用水泥土擠密樁短樁＋CFG長(zhǎng)樁的地基處理技術(shù)，墊層厚度取800 mm，樁徑取0.4 m。CFG樁樁長(zhǎng)15 m，樁間距2.0 m；水泥土擠密樁樁長(zhǎng)8 m，樁間距1.0 m。整個(gè)路基寬36 m，樁體均采用正方形形式布置。CFG樁＋水泥土擠密樁復(fù)合地基模型見(jiàn)圖1。

圖1 CFG樁＋水泥土擠密樁復(fù)合地基模型

2 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降作用機(jī)理

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基中樁體有多種布置形式，常見(jiàn)的有長(zhǎng)方形、正方形、等邊三角和網(wǎng)格狀。長(zhǎng)樁和短樁間隔布置，其立面布置見(jiàn)圖2。

圖2 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基立面布置

從圖2可以看出，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基有工作區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，三個(gè)工作區(qū)協(xié)同組成長(zhǎng)短樁復(fù)合地基[12]。具體來(lái)說(shuō)，在路堤荷載作用下，填筑一開始樁與樁間土即為一個(gè)整體，共同承載，褥墊層使得樁與土協(xié)同作用。工作Ⅰ區(qū)采用水泥土擠密樁短樁加固地基；工作Ⅱ區(qū)采用CFG長(zhǎng)樁來(lái)減少地基土體變形，控制沉降。長(zhǎng)短樁復(fù)合地基主要有以下三個(gè)工作階段:

(1)在第一階段，即路堤填筑初始階段，樁土壓縮模量不同，尤其是長(zhǎng)樁模量遠(yuǎn)大于土體模量，由此發(fā)生樁頂刺入土體現(xiàn)象。此時(shí)褥墊層發(fā)生變形，進(jìn)入調(diào)整階段，于是樁與樁間土成為一個(gè)整體共同承擔(dān)上部荷載，但樁與樁間土體也開始產(chǎn)生差異沉降，因此樁與樁間土體之間產(chǎn)生力的作用。

(2)隨著路堤填土高度的增加，進(jìn)入第二發(fā)展階段，此時(shí)上部荷載增大到某一值后樁體承擔(dān)的荷載和樁間土體承擔(dān)的荷載開始出現(xiàn)明顯差距，于是樁頂刺入現(xiàn)象更加明顯，進(jìn)而引起樁頂部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，樁土應(yīng)力比也明顯增加，且長(zhǎng)樁樁土應(yīng)力比大于短樁樁土應(yīng)力比。

(3)隨著荷載進(jìn)一步加大，進(jìn)入第三階段，樁體開始相對(duì)于樁間土向下滑移，于是樁與土體之間產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力，樁體應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，荷載最終通過(guò)長(zhǎng)樁傳遞至樁端下部土體并產(chǎn)生樁端反力，因此工作Ⅲ區(qū)建議為較堅(jiān)硬的持力層土體。

綜上所述，長(zhǎng)樁的作用主要為控制沉降量，將荷載向地基深處傳遞，并與短樁協(xié)同作用緩解樁周土體向上隆起的現(xiàn)象；而短樁的作用則為增強(qiáng)復(fù)合地基的承載力。在工作區(qū)Ⅰ，長(zhǎng)樁對(duì)短樁起到一定的“護(hù)樁”作用，樁與樁間土體共同沉降；在工作Ⅱ區(qū)，長(zhǎng)樁與土體由于沉降差異，導(dǎo)致樁尖刺入樁端土層；工作區(qū)Ⅲ為無(wú)樁區(qū)，需要利用下部土體承擔(dān)樁端荷載，因此一般選擇較好的地質(zhì)層?？梢钥闯?，長(zhǎng)短樁的布置形式可以充分發(fā)揮樁與樁間土的承載潛力，不僅能夠滿足承載力要求，也能控制沉降，而且能夠有效減小施工成本。

3 長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的沉降特性理論計(jì)算

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基沉降量的主要構(gòu)成為:路堤填土和褥墊層自身厚度的壓縮量(S1)、加固區(qū)土體的壓縮量(S2)、下臥土層中產(chǎn)生的壓縮變形(S3)；由樁體本身產(chǎn)生的壓縮變形(Ssp1)、樁端向上和向下刺入變形(ΔSpu，ΔSpb)三部分組成。其中樁體本身產(chǎn)生的壓縮變形(Ssp1)按式(1)計(jì)算。

式中，Q為樁體承擔(dān)荷載；l為樁體長(zhǎng)度；Ep為樁的壓縮模量；Ap為樁體橫截面面積；ψp為樁體自身壓縮量的修正系數(shù)。

長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的沉降主要包括下臥層土體壓縮量和樁加固區(qū)沉降量，計(jì)算見(jiàn)式(2)。

S1一般很小，可忽略不計(jì)，則:

式中，Δσ1i、Δσ2j為加固區(qū)或下臥層對(duì)應(yīng)分層土體的附加應(yīng)力增量；Esj、Esi為下臥層第j層和加固區(qū)第i層土的壓縮模量；n1、n2為加固區(qū)、下臥層土體的分層數(shù)；S為樁網(wǎng)式長(zhǎng)短樁復(fù)合地基總沉降；ψ為下臥層土體變形量或復(fù)合地基加固區(qū)的修正系數(shù)；E′si為加固區(qū)第i層復(fù)合土層的復(fù)合壓縮模量。

4 長(zhǎng)短樁模量對(duì)復(fù)合地基沉降特性的影響

4.1 長(zhǎng)樁模量對(duì)復(fù)合地基沉降特性的影響

研究長(zhǎng)樁模量變化對(duì)復(fù)合地基的影響，計(jì)算模型見(jiàn)圖1。填土黏聚力為30 kPa，填土模量為80 MPa；短樁模量100 MPa；長(zhǎng)樁采用CFG樁，水泥摻量不同會(huì)導(dǎo)致樁體模量的變化，本文長(zhǎng)樁模量分別取2.55 GPa、5 GPa、10 GPa三種情況。CFG樁樁體模量為5 GPa時(shí)所得沉降云圖見(jiàn)圖3～圖5，其余各種情況沉降值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同CFG樁體模量下復(fù)合地基沉降值

由表1可知，隨著長(zhǎng)樁模量的增加，整體位移和土體位移均減小，CFG長(zhǎng)樁樁體模量從2.55 GPa增長(zhǎng)到10 GPa，整體位移減小了2.11 mm，土體位移僅減小了1.67 mm；而CFG樁體位移呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)了1.14 mm；擠密樁樁體位移也呈現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律，減小了1.91 mm，說(shuō)明長(zhǎng)樁模量的增加對(duì)減小沉降作用并不明顯。

圖3 整體位移云圖(樁體模量為5 GPa)

圖4 CFG樁體位移云圖(樁體模量為5 GPa)

圖5 水泥土擠密樁樁體位移云圖(樁體模量為5 GPa)

由圖3～圖5可知，在路堤作用下，整體最大豎向位移為45.32 mm，土體最大位移為43.40 mm，CFG樁樁體最大豎向位移為23.03 mm，水泥土擠密樁樁體最大位移為39.89 mm。對(duì)比表1中CFG樁樁體模量為2.55 GPa和10 GPa時(shí)的沉降值，復(fù)合地基位移云圖表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，隨CFG樁樁體位移增加，而復(fù)合地基整體位移、地基土體位移和擠密樁沉降均有所減小。

4.2 短樁模量對(duì)復(fù)合地基沉降特性的影響

研究短樁模量對(duì)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的影響，計(jì)算模型見(jiàn)圖1。填土黏聚力為30 kPa，填土模量為80 MPa；長(zhǎng)樁模量為2.55 GPa；短樁采用水泥土擠密樁。根據(jù)水泥土擠密樁中水泥摻量的不同，變形模量取100 MPa、300 MPa、500 MPa進(jìn)行計(jì)算。變形模量為300 MPa時(shí)所得沉降云圖見(jiàn)圖6～圖8，其余各種情況的沉降值見(jiàn)表2。

圖6 整體位移云圖

圖7 CFG樁樁體位移云圖

圖8 水泥土擠密樁樁體位移云圖

表2 不同水泥土擠密樁樁體模量下復(fù)合地基沉降值

由表2可知，隨著短樁模量的增加，整體位移和土體位移均減小，水泥土擠密樁樁體模量從100 MPa增長(zhǎng)到500 MPa，整體位移減小了1.29 mm，土體位移僅減小了0.46 mm，CFG樁體位移先增加后減小，擠密樁樁體位移呈現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律，減小了3.09 mm，這說(shuō)明短樁模量的增加對(duì)減小沉降并不明顯。但相比長(zhǎng)樁模量對(duì)復(fù)合地基沉降的影響，雖然擠密樁模量對(duì)樁體位移影響較大，但對(duì)土體和整體位移影響反而較小，這是因?yàn)槎虡稊D密樁模量的增加雖然使得短樁加固區(qū)地基復(fù)合模量增加，但由于擠密樁長(zhǎng)度較短且主要起消除地基濕陷性的作用，而長(zhǎng)樁CFG樁較長(zhǎng)且彈性模量遠(yuǎn)大于擠密樁，所以CFG長(zhǎng)樁對(duì)復(fù)合地基沉降控制有較大作用，因此通過(guò)增加短樁模量來(lái)控制地基沉降的做法并不科學(xué)。

5 結(jié)論

(1)長(zhǎng)樁模量的增加和短樁模量的增加都可以減小復(fù)合地基沉降，但是沉降值變化很小。

(2)CFG長(zhǎng)樁對(duì)復(fù)合地基沉降控制有較大作用，因此通過(guò)增加短樁模量來(lái)控制地基沉降的做法并不科學(xué)。