蔡 念

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建永安366000）

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，各地地質(zhì)條件差異較大，因此工程建設(shè)所面臨的地基條件往往具有明顯的地域性。在我國(guó)的沿江、沿湖地區(qū)常常分布有大片的軟土層。在這些地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，為提高軟土地基的承載力，常采用碎石樁復(fù)合地基。

碎石樁技術(shù)誕生于20 世紀(jì)30 年代［1］，當(dāng)時(shí)主要用于提高砂土地基的承載力。由于碎石樁出色的加固能力，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到軟土地基的加固中［2］。自碎石樁技術(shù)誕生以來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其有關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，鄧修甫等人［3］從受力的角度出發(fā)，將碎石樁復(fù)合地基的沉降分為鼓脹區(qū)、非鼓脹區(qū)及樁底沉降區(qū)3個(gè)區(qū)段。張千管［4］通過分析每種碎石樁復(fù)合地基的沉降特征，建立了“厚壁圓筒模型”，HASSEN 等人［5］通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)貫入碎石樁可有效提高地基的抗液化能力。PUNETHA 等人［6］分析了樁身承載力膨脹的主要形成原因。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來越來越多的學(xué)者用數(shù)值模擬的方法對(duì)碎石樁復(fù)合地基的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究，并取得了一系列成果，PAL等人［7］用有限元軟件建模，進(jìn)行了數(shù)值分析模擬計(jì)算，總結(jié)得出了GPCF沉降量和震后殘余沉降速度。陳強(qiáng)等人［8］利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)碎石樁復(fù)合地基的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究后，認(rèn)為碎石樁可將上覆荷載傳遞至其7倍樁徑處。

本文以某新建小區(qū)工程為依托，利用原位靜載試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)上覆荷載下的碎石樁復(fù)合地基的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，得到其應(yīng)力分布云圖，同時(shí)結(jié)合原型與模型的P-s 曲線特征，對(duì)碎石樁復(fù)合地基的作用原理進(jìn)行了闡述。對(duì)工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 位置特征

施工區(qū)域位于呼和浩特市中部，地處土默川平原，場(chǎng)地地貌特征為大黑河上游沖積平原，大部分為沖積平原。地勢(shì)總體平坦，由東北向西南略微傾斜，海拔高度為1 035 m。歷年年均降水量為400.00 mm。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地距大黑河河谷約4.0 km。目前擬擴(kuò)建的場(chǎng)地及勘探點(diǎn)周邊區(qū)域地形平坦開闊，整體地形中部北高南低，深部存在古大青山?jīng)_洪積扇。整體地形稍平坦但有輕微起伏，勘探點(diǎn)周邊區(qū)域地面平均標(biāo)高為1 052.50～1 056.70 m，最大勘探點(diǎn)標(biāo)高差為4.20 m。現(xiàn)擴(kuò)建的場(chǎng)地為荒地，雜草叢生，局部約1.00 m左右素填土。

3 碎石樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

利用靜載試驗(yàn)測(cè)試復(fù)合地基的承載力（裝置見圖1），試驗(yàn)參數(shù)如下：樁徑800@1 500 mm，正方形布樁，樁長(zhǎng)L=5 m，承載板面積為2.25 m2。

圖1 壓重平臺(tái)反力裝置Fig.1 Counter Force Device of Ballast Platform

測(cè)試中，當(dāng)P-s曲線過于平緩時(shí)，則意味著無(wú)法從曲線上確定極限荷載和比例極限。遇此情況，應(yīng)按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79—2012》［9］的相關(guān)規(guī)定，對(duì)復(fù)合地基承載力特征值取s/b 或s/d 等于0.01 時(shí)所對(duì)應(yīng)的堆載壓力［9］，即為15 mm（承載板邊長(zhǎng)為1.5 m）沉降時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011》［10］的要求，在小區(qū)中選擇了9 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)加載等級(jí)為10 級(jí)，各級(jí)相差30 kPa，最大加載值300 kPa。各點(diǎn)P-s曲線如圖2所示。

圖2 各點(diǎn)P-s曲線Fig.2 P-s Curve at Each Point

由圖2可知，①～⑨點(diǎn)15 mm沉降所對(duì)應(yīng)荷載處于185～243 kPa范圍內(nèi)。均大于150 kPa，根據(jù)文獻(xiàn)［9-10］的要求，承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的一半，據(jù)此判定該地基土承載力特征值為150 kPa。

4 數(shù)值模擬分析

計(jì)算機(jī)和軟件行業(yè)的發(fā)展，使得有限元數(shù)值模擬的方法越來越先進(jìn)，在有限元模擬中，可以實(shí)現(xiàn)許許多多在現(xiàn)實(shí)中因各種情況無(wú)法完成的試驗(yàn)與想法。本章利用COMSOL 軟件對(duì)該工程部分碎石樁復(fù)合地基的有限元數(shù)值模擬，得到復(fù)合地基的壓力與變形之間的關(guān)系。

4.1 建模假設(shè)

為使模型數(shù)值分析時(shí)簡(jiǎn)化，在有建模的過程中，做出以下假設(shè)：

⑴不考慮地下水下降作用，樁土均為均質(zhì)的各向同性材料。

⑵碎石樁與地基土為彈性體。

⑶施加重力并在樁土連接底面設(shè)豎向約束（輥支撐），在土體邊緣設(shè)置固定約束，排除因重力導(dǎo)致得位移和速度等，完成地應(yīng)力平衡。

⑷載荷板為理想剛體，設(shè)置為剛體域。

⑸使用收斂性準(zhǔn)則，計(jì)算到不收斂時(shí)即土體發(fā)生破壞。

4.2 模型的選擇及參數(shù)設(shè)定

4.2.1 模型的選擇

碎石樁復(fù)合地基的樁土關(guān)系很復(fù)雜，在加載過程中當(dāng)土達(dá)到屈服時(shí)失效，在COMSOL模擬時(shí)收斂性極差。在軟件中對(duì)于彈塑性材料中土體的可塑性，屈服準(zhǔn)則包括Drucker-Prager 準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，在本文的數(shù)值模擬中選擇土體塑性莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則描述。

4.2.2 模型參數(shù)設(shè)定

模擬的對(duì)象為現(xiàn)場(chǎng)碎石樁復(fù)合地基（樁長(zhǎng)5.0 m，樁間距1.5 m），模型（地基土）的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模型的主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of the Model

邊界條件：整個(gè)地基土周圍和底部設(shè)置固定約束，樁土接觸設(shè)置輥支承，土和樁上部為自由端，承載板蓋在地基土與碎石樁上，在承載板上設(shè)置邊界荷載（30 kPa）。

4.3 數(shù)值分析

通過計(jì)算機(jī)對(duì)3.1、3.2節(jié)所建的模型進(jìn)行加載（最大荷載為300 kPa），得到模型的P-s曲線與應(yīng)力云圖，如圖3、圖4 所示（因篇幅有限，圖4 僅展示300 kPa 荷載作用下的模型應(yīng)力云圖）。

圖3 最大荷載為300 kPa時(shí)的模型P-s曲線Fig.3 Model P-s Curve at 300 kPa Maximum Load

由圖3 可知，模型的P-s曲線形態(tài)為緩變型，總體沉降量較小且穩(wěn)定，總體上未出現(xiàn)陡降線型，根據(jù)曲線特征，判斷極限承載力大于300 kPa，承載力特征值為150 kPa，這與前章現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合，說明模擬的結(jié)果是可信的。由圖4可知地基應(yīng)力主要集中在樁身上部2 m 范圍內(nèi)（包括樁身上部附近土體），且向下衰減的很快，導(dǎo)致沉降集中于樁頂，端部少有沉降；樁體上部壓縮變形量大，且由于剪脹作用造成其側(cè)向膨脹。

圖4 300 kPa荷載作用下的模型應(yīng)力云圖Fig.4 Cloud Chart of Model Stress under 300 kPa Load

繼續(xù)增大荷載，當(dāng)荷載增大到504 kPa 時(shí)模型的P-s曲線達(dá)到突降拐點(diǎn)，此后曲線不收斂，即意味著復(fù)合地基被破壞，其P-s曲線如圖5所示。

圖5 模型P-s曲線Fig.5 P-s Curve of Model

由圖5可知，在200 kPa附近圖形斜率開始逐漸變大，說明地基土體進(jìn)入塑性變形階段，200 kPa 為比例界限，根據(jù)文獻(xiàn)［9］可取200 kPa 作為模型的承載力特征值。504 kPa 為模型的P-s 曲線突降拐點(diǎn)（極限荷載），意味著地基土體被破壞。

4.4 碎石樁復(fù)合地基的作用原理

當(dāng)碎石樁承受上覆荷載時(shí)，樁身軸向及側(cè)向均會(huì)產(chǎn)生變形，樁身在受到側(cè)摩阻力（方向向上）作用的同時(shí)也受到樁間土的側(cè)向壓應(yīng)力作用。從垂向看，側(cè)摩阻力致使上覆荷載向下傳遞的能力減弱。且因碎石樁在變形過程中與周圍土體的協(xié)調(diào)性較強(qiáng)，故樁、土沉降同步性較好，相對(duì)沉降細(xì)微可忽略，致使應(yīng)力向下衰減的速度較快（端阻力?。?，導(dǎo)致復(fù)合地基的應(yīng)力呈現(xiàn)出如圖5的分布態(tài)勢(shì)。

在荷載增大的前提下，樁體與地基土?xí)群筮_(dá)到變形極限，這就意味著在此地基中樁與土都能夠很好地發(fā)揮出各自的承載能力。

5 結(jié)論

以某新建小區(qū)工程為依托，利用原位靜載試驗(yàn)與數(shù)值模擬，對(duì)上覆荷載下的碎石樁復(fù)合地基的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，得到其應(yīng)力分布云圖，同時(shí)結(jié)合原型與模型的P-s 曲線特征，分析碎石樁復(fù)合地基的作用原理，得到以下研究結(jié)論。

根據(jù)模擬結(jié)果，該工程地基承載力特征值為200 kPa，極限荷載為504 kPa。

地基應(yīng)力主要集中在樁身上部2.0 m 范圍內(nèi)（包括樁身上部附近土體），且向下衰減得很快，致使沉降集中于樁頂，樁端部分少有沉降；碎石樁上部壓縮變形量大且產(chǎn)生了側(cè)向膨脹。