曾華健 梅 軍 劉慧芬 李 軍

1. 江蘇省巖土工程公司 江蘇 南京 210000；

2. 江蘇省地質(zhì)工程勘察院 江蘇 南京 210000；

3. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院 廣東 佛山 528225

樁網(wǎng)復(fù)合地基加固理念自20世紀(jì)70年代被提出，其工程應(yīng)用最早見于1975年的日本北海道石狩河的堤岸改造[1]，而后國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)該方法的工程應(yīng)用。直至目前，樁網(wǎng)復(fù)合加固體系中各部分作用機(jī)理尚未明晰，設(shè)計與實際效果相比過于保守[2]，國內(nèi)外許多學(xué)者通過假定計算分析模型、數(shù)值模擬、模型試驗等手段進(jìn)行研究。Terzaghi最早對平面土拱模型進(jìn)行了研究。黃宇華等[3]基于Terzaghi土拱模型建立平衡方程與變形協(xié)調(diào)方程，得出樁土應(yīng)力以及土拱高度理論解，定量說明了樁土應(yīng)力與拉膜效應(yīng)。Jones等[4]提出在樁承加筋土復(fù)合地基中樁土應(yīng)力比的經(jīng)驗計算公式。Low等[5]對樁承加筋土復(fù)合地基中的成拱性狀進(jìn)行了研究，并通過模型試驗，驗證加筋墊層的存在有利于使樁間土荷載向樁上轉(zhuǎn)移，提高樁體的分荷比。林佳銘[6]提出對CFG樁復(fù)合地基采用注漿加固的前置處理措施，更能夠發(fā)揮出CFG樁復(fù)合地基在巖溶地質(zhì)條件下的諸多優(yōu)勢。饒為國等[7-8]提出了樁網(wǎng)復(fù)合地基工后沉降的三點推算，推導(dǎo)出樁網(wǎng)復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的計算公式。張建勛等[9]利用有限單元法，證明樁頂?shù)耐凉ず铣刹牧系募咏钭饔糜欣谠龃髽锻翍?yīng)力分擔(dān)比，減小樁與土的差異性沉降，約束地基邊界土體的側(cè)向位移。

綜上所述，水平向增強(qiáng)體復(fù)合地基的工作性狀復(fù)雜，目前在樁網(wǎng)復(fù)合地基中分別對墊層、筋材、樁、土以及它們相互作用的影響研究均存在不足。為此，本文期望通過數(shù)值模擬方法，完善樁網(wǎng)復(fù)合體系沉降變形的規(guī)律。

1 樁網(wǎng)復(fù)合地基加固機(jī)理

在處理大面積建筑軟土地基中，樁網(wǎng)復(fù)合地基構(gòu)成如圖1所示。樁網(wǎng)復(fù)合地基包括樁體、樁帽、網(wǎng)、樁間土、回填土以及下臥層6個部分，最核心的部分是樁體和網(wǎng)[10]。

圖1 樁網(wǎng)復(fù)合地基組成示意

一般而言，樁網(wǎng)復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理主要依靠土拱效應(yīng)、薄膜拉張效應(yīng)以及樁土相對剛度效應(yīng)三者共同發(fā)揮，影響這3種效應(yīng)發(fā)揮的因素主要包括樁、土工合成材料及厚度、土層性質(zhì)等[11]。

1）土拱效應(yīng)：隨著荷載的不斷增加，樁頂水平面上一定區(qū)域內(nèi)填土產(chǎn)生應(yīng)力重分布，填土在向受力平衡點移動過程中，顆粒間相互不斷嵌鎖，逐漸形成一密實殼體，從而使樁間土的部分荷載轉(zhuǎn)移到樁上，形成土拱效應(yīng)[12]。

2）薄膜拉張效應(yīng)：加筋墊層采用土工格柵、土工織物等各種土工合成材料，其發(fā)揮作用的效應(yīng)類似于一張力膜，通過與墊層存在的摩擦力，可起到約束地基土體側(cè)向位移的作用。

3）樁土相對剛度效應(yīng)：樁土相對剛度直接影響土拱效應(yīng)及土工格柵的作用，樁土間的相對位移越大，土拱效應(yīng)和薄膜拉張效應(yīng)越顯著。

2 工程概況

浙江湖州德清港國際物流園區(qū)某智慧物流園項目占地面積逾80 000 m2，園區(qū)內(nèi)擬建6個單體建筑，均采用樁基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)。場地位于浙北平原區(qū)，北邊與太湖相鄰，東邊約100 km處為長江入?？?，平原區(qū)內(nèi)密布河網(wǎng)湖泊，屬沖湖海積平原地貌。工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 場地典型地質(zhì)剖面

場地地表覆蓋一層厚度約0.8 m的新近回填素填土，往下為平均厚度約1.4 m的軟塑狀粉質(zhì)黏土，下伏灰色含有機(jī)質(zhì)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，平均層厚8.5 m，呈流塑狀，屬高壓縮性土，為場地內(nèi)主要壓縮土層；其下為平均層厚15 m的粉質(zhì)黏土，以硬塑和可塑狀為主。樁-網(wǎng)復(fù)合地基多應(yīng)用于加固高填方路堤工程中，該工程創(chuàng)新采用CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基加固大面積物流倉儲地坪的深厚軟土地基，工程采用平均長15 m、樁徑0.4 m、樁間距2.4 m、正方形布置的CFG樁，樁帽尺寸1.20 m×1.20 m×0.35 m，鋪設(shè)一層厚0.4 m的加筋碎石墊層，土工格柵雙向同強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度60 kN/m。土工格柵與樁帽頂面豎向距離0.2 m，往上再分層碾壓厚0.8 m填土墊層[13]。

3 數(shù)值分析模型建立

本文采用Midas GTS有限元軟件建立CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基的三維有限元模型。該軟件為針對隧道、樁基、基坑、邊坡等巖土領(lǐng)域?qū)ｉT開發(fā)的通用有限元程序，支持靜力分析、動力分析、固結(jié)分析、應(yīng)力滲流耦合分析等分析類型。其中，固結(jié)分析模塊提供了地基處理常用的換填法、擠密法、排水法、加筋法等多種計算分析及后處理手段。

該模型的建立分為本構(gòu)模型和幾何模型兩部分。其中，地基土與墊層土采用修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型，CFG樁和土工格柵采用線彈性本構(gòu)模型。在幾何模型中，為反映場地內(nèi)沉降變形最不利的狀況，選用淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層較厚的典型區(qū)段來綜合反映場地地基狀況。參照實際地勘資料，地基計算深度設(shè)為30 m，沿深度方向均勻分為4個土層，由上至下的厚度分別為：雜填土0.8 m，軟塑狀粉質(zhì)黏土1.4 m，流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土8.5 m，硬塑狀粉質(zhì)黏土19.3 m。地基模型整體尺寸為25 m×25 m×30 m，墊層寬度取17 m，填土墊層厚度分為3層，共1.5 m，坡率為1∶1.5。CFG樁樁徑為0.4 m，樁長為15 m，樁端進(jìn)入硬塑狀粉質(zhì)黏土層4 m，樁間距為2.4 m，正方形布置，樁頂設(shè)置1.20 m×1.20 m×0.35 m樁帽。

在建立樁體模型時，CFG樁與地基土的彈性模量相差若干數(shù)量級，且建立有限元模型時樁土之間節(jié)點連續(xù)，如果不考慮實際的樁-土作用，則會使得樁周土體變形結(jié)果小于實際變形。本模型采用與實際較吻合的考慮樁土接觸面的樁土分離方法，通過建立樁界面單元模擬樁土相對摩擦滑移的效果。土工格柵采用軟件內(nèi)的2D界面單元，縱橫向?qū)嶋H屈服強(qiáng)度60 kN，土工格柵與樁帽頂面的豎向間距為0.2 m，通過設(shè)置法向剛度模量Kn與剪切剛度模量Kt模擬土工格柵與墊層土的相互接觸效果。各材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)特性

模型邊界條件為約束土體四周邊界節(jié)點x、y方向位移與固定底部邊界節(jié)點x、y、z方向位移，模型樁約束z方向轉(zhuǎn)動。固結(jié)分析計算時定義模型整體水位為地表處；設(shè)置淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉質(zhì)黏土交界處為底面排水條件；墊層土通過設(shè)定非固結(jié)條件視為已固結(jié)完成，不考慮次固結(jié)沉降。為了保證計算穩(wěn)定性與結(jié)果精度，單元體形狀采用四面體與六面體混合網(wǎng)格，共劃分91 824個網(wǎng)格，網(wǎng)格計算模型如圖3所示。

圖3 CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基有限元計算網(wǎng)格

根據(jù)太沙基固結(jié)理論，固結(jié)度是時間因數(shù)的函數(shù)，為得出地基土在任意時刻的固結(jié)沉降量，可通過定義相應(yīng)固結(jié)時間段的荷載系數(shù)，得到軟土在固結(jié)歷史過程中沉降隨時間的變化曲線?？紤]時間因素對CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基的影響，分別設(shè)置堆載1個月、2個月、4個月、6個月、8個月、1 a、1.5 a、2 a、5 a、10 a的典型時間段。運營期均布荷載按30 kPa考慮。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 填土墊層厚度對地基沉降變形的影響

一般淺層地基的沉降量占總沉降量比例較大，一方面由于砂墊層或碎石墊層對應(yīng)力的擴(kuò)散作用，使作用在下臥層土上的應(yīng)力相對減少，另一方面，碎石墊層有利于發(fā)揮土工合成材料高強(qiáng)度和高韌性性能，從而起到加筋加強(qiáng)的作用。土工格柵與碎石墊層在填土墊層自重與均布荷載的作用下協(xié)調(diào)變形。為研究有無填土墊層以及不同填土墊層厚度對地基沉降變形的影響，基本模型為一層土工格柵的CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基模型，通過分別設(shè)置0、0.8、1.2和1.5 m四種填土墊層厚度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖4為1.5 m填土墊層厚度的沉降變形云圖，不同填土墊層厚度在不同預(yù)壓時長下的墊層頂面中心點處工后沉降如圖5所示。

圖4 厚1.5 m填土墊層的沉降變形云圖

圖5 不同填土墊層厚度下地基中心隨時間沉降分布曲線

由圖5可知，在施工填土墊層并施加預(yù)壓初期，工后沉降發(fā)展迅速，沉降曲線總體趨勢呈先陡后緩，且墊層頂面中心處的工后沉降隨著填土墊層厚度的增大而增大。在不同填土墊層厚度下，墊層頂面中心處的工后沉降在25～35 mm之間；在加載6個月內(nèi)發(fā)生的沉降變形約占到總沉降變形的70%，6個月后，在不同墊層厚度下，墊層頂面中心處的工后沉降減小到9～18 mm之間，工后沉降相比之前顯著減少；加載12個月后，在不同墊層厚度下，墊層頂面中心處的工后沉降減小到2～6 mm之間。加載1個月內(nèi)，填土墊層厚度0、0.8、1.2和1.5 m的墊層頂面中心處的工后沉降分別為27.1、29.7、31.5、32.1 mm；加載6個月后，在不同填土墊層厚度下，墊層頂面中心處的工后沉降分別為4.7、6.2、7.8、8.8 mm。在填土墊層厚度由0 m增至1.5 m過程中，墊層頂面沉降變形增大16.6%，說明填土墊層厚度對CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基的影響不可忽視。

4.2 土工格柵層數(shù)對地基沉降變形的影響

為研究不同土工格柵層數(shù)對經(jīng)地基處理后的人工地基沉降變形的影響，取基本模型為墊層厚度0.8 m、樁長15 m的CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基模型，通過設(shè)置土工格柵層數(shù)分別為無、1層、2層進(jìn)行分析，其中第2層土工格柵與第1層豎向間距為0.2 m，圖6為設(shè)1層土工格柵時的沉降變形云圖，不同預(yù)壓時長下的墊層頂面中心點處工后沉降如圖7所示。

圖6 1層土工格柵沉降變形云圖

圖7 不同土工格柵層數(shù)下地基中心隨時間沉降分布曲線

由圖7可知，不同土工格柵層數(shù)隨時間的固結(jié)沉降規(guī)律基本一致。土工格柵層數(shù)分別為無、1層、2層時，墊層頂面中心處工后最大沉降分別為205.5、196.5、193.5 mm；1層土工格柵比無土工格柵墊層的中心頂面處最大沉降減少4.7%，說明由水平增強(qiáng)體與豎向增強(qiáng)體組成的樁網(wǎng)復(fù)合地基比單純采用豎向增強(qiáng)體人工地基的沉降變形小，地基承載力有部分提高；而2層土工格柵僅比1層土工格柵墊層的中心頂面處最大沉降減少1.4%，說明在荷載不大時，增加土工格柵層數(shù)對減少沉降變形影響不明顯。

4.3 樁長對地基沉降變形的影響

在復(fù)合地基設(shè)計時，不同樁型和樁長的選取會有不同的加固效果。長樁可穿透一般厚度的軟弱土層，將荷載通過樁身往地基深處傳遞，減少淺層高壓縮性土層的壓縮變形；短樁通過對淺層土層加固，減少上層地基的沉降變形；而長短樁復(fù)合地基則綜合長樁與短樁的特征，在淺層土設(shè)置較大密度的樁，在下層土中減少樁的密度。為研究不同樁長對地基沉降變形的影響，取基本模型為墊層厚度0.8 m、1層土工格柵、樁間距2.4 m的CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基模型，通過設(shè)置樁長為15、12 m，以及15 m與12 m間隔布置的3種不同樁長方案的CFG樁進(jìn)行模擬分析。其中，樁長為12 m的短樁進(jìn)入硬塑狀粉質(zhì)黏土層1 m。圖8為15 m與12 m樁長間隔布置時的沉降變形云圖，不同樁長下墊層頂面中心點處工后沉降如圖9所示。

圖8 樁長15 m與12 m間隔布置的沉降變形云圖

圖9 不同樁長下地基中心隨時間沉降分布曲線

由圖9可知，墊層頂面中心處沉降隨著樁長增長而減小，在計算時間段內(nèi)，樁長15 m、15 m與12 m間隔布置、12 m三種情況下的最大沉降量分別為196.5、211.9和240.7 mm。樁長12 m的最大沉降量比樁長15 m的最大沉降量增加約22.5%，且達(dá)到相應(yīng)固結(jié)度所需的固結(jié)時間更長。樁長15 m與12 m長短樁布置的最大沉降量比樁長15 m的最大沉降量增加約7.8%。因此樁長對復(fù)合地基承載力和沉降性狀的影響顯著，當(dāng)CFG樁存在可穿透軟土層至較為理想的樁端持力層的條件時，應(yīng)把樁端落在較理想的持力層。上部荷載不大時，在驗算通過滿足承載力要求的情況下，可考慮采用長短樁布置方案。

4.4 土工格柵受力特征

由土工格柵在墊層頂面加載后的平面應(yīng)變云圖（圖10）可看出，土工格柵在相鄰2個樁帽之間的撓度增加，應(yīng)變較樁帽頂部大。由于樁帽與樁間土的豎向剛度相差若干數(shù)量級，故相鄰兩樁帽之間的土體呈下凹的沉降變形，土工格柵在樁帽邊緣處產(chǎn)生部分應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖10 1層土工格柵平面應(yīng)變云圖

由土工格柵最大拉力與土工格柵層數(shù)的關(guān)系曲線（圖11）可知，土工格柵最大拉力隨土工格柵層數(shù)增加而減小，且隨時間變化的趨勢基本一致。加載6個月內(nèi)，土工格柵拉力發(fā)揮超過70%。鋪設(shè)1層土工格柵時，由于只有1層橫向加筋體約束水平變形，此時土工格柵承擔(dān)全部拉力，拉力增長較快；鋪設(shè)2層土工格柵時，墊層整體抗彎剛度有一定提高，土工格柵最大拉力降低約19%，可看出降低幅度并非原來的一半。

圖11 土工格柵最大拉力與土工格柵層數(shù)關(guān)系曲線

5 結(jié)語

本文以浙江湖州某物流園區(qū)采用CFG樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)處理物流倉儲地坪深厚軟土地基為工程背景，以不同墊層厚度、不同土工格柵層數(shù)、不同樁長以及土工格柵受力特征為研究對象，利用數(shù)值模擬分析手段探討對CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降變形的影響，得到如下結(jié)論：

1）墊層厚度從0 m增加到1.5 m過程中，墊層頂面中心處最大沉降量增加約16.6%，從整體沉降量控制角度看，墊層厚度越小越有利；但墊層厚度太小不利于調(diào)整樁土應(yīng)力比和發(fā)揮“樁-網(wǎng)-土”協(xié)調(diào)變形的作用。

2）土工格柵層數(shù)從0層增加到2層過程中，墊層頂面中心處最大沉降量減少約5%，對控制整體沉降作用較??；但“樁-網(wǎng)-土”體系中的拱效應(yīng)與膜效應(yīng)有利于控制產(chǎn)生于樁間土的差異沉降。

3）CFG樁長在相同間距與樁徑條件下，長短樁和短樁比長樁在墊層頂面中心處的最大沉降量分別增加約7.8%和22.5%。說明增大樁長對控制沉降影響顯著，條件允許情況下，應(yīng)使樁全部或部分穿透軟土層，并嵌入理想持力層一定深度。

4）土工格柵在相鄰兩樁帽之間呈現(xiàn)撓度增大的拉膜效應(yīng)；土工格柵的拉力在加載6個月內(nèi)發(fā)揮超過70%，2層土工格柵最大拉力比1層土工格柵的最大拉力降低約19%。