任華鋒

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031）

剛性樁復(fù)合地基由剛性樁、樁間土和褥墊層構(gòu)成，可有效調(diào)節(jié)剛性樁和樁間土的受力分擔(dān)比，具有適用范圍廣、樁間土承載力發(fā)揮充分、地基承載力提高幅度大、地基變形小、施工質(zhì)量易保證等特點(diǎn)，在處理高速鐵路軟土地基中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。長(zhǎng)期以來(lái)，科研人員和工程技術(shù)人員針對(duì)剛性樁復(fù)合地基在路堤荷載作用下的沉降規(guī)律、承載力特性、樁土承載比分擔(dān)規(guī)律和荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了大量的科學(xué)研究和工程實(shí)踐，提出了許多減少路基沉降的措施［3-6］，但對(duì)剛性樁復(fù)合地基在柔性路堤荷載作用下路基失穩(wěn)變形特性仍缺乏深入的認(rèn)識(shí)。隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，在軟土地基上修建的高速鐵路路基也越來(lái)越普遍，研究剛性樁復(fù)合地基在柔性路堤荷載作用下的失穩(wěn)變形特性也顯得尤為重要。

巖土工程試驗(yàn)研究方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試試驗(yàn)、小比尺室內(nèi)模型試驗(yàn)和土工離心模型試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試試驗(yàn)可用來(lái)直接觀察結(jié)構(gòu)物的性狀和巖土體的性質(zhì)，但是采用該方法步驟繁雜，成本較高且周期長(zhǎng)，現(xiàn)實(shí)中很少采用。小比尺室內(nèi)模型試驗(yàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)操作方便，經(jīng)濟(jì)性較好且針對(duì)性較強(qiáng)，但是該方法不能合理地模擬重力荷載，試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上與真實(shí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有直接的聯(lián)系。土工離心模型試驗(yàn)可由原型材料制作模型，在原型應(yīng)力狀態(tài)下直接觀察結(jié)構(gòu)物或土體的變形狀態(tài)及其破壞過(guò)程，并可將試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上與真實(shí)結(jié)構(gòu)或土體建立直接的聯(lián)系，該方法省時(shí)省力，被廣泛用來(lái)驗(yàn)證或研究巖土力學(xué)的有關(guān)理論和解決巖土工程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

本試驗(yàn)采用粉質(zhì)粘土制作軟土，并取不同樁間距制作模型，根據(jù)土工離心模型試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值仿真，分析樁間距對(duì)復(fù)合地基的變形特性和基樁失穩(wěn)模式的影響，進(jìn)一步探索飽和松軟土中剛性樁復(fù)合地基的適用性，以期為高速鐵路地基處理提供指導(dǎo)。

1 離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

離心模型試驗(yàn)?zāi)M對(duì)象為深厚軟土地區(qū)雙線鐵路高路堤，地基上部軟土層厚8 m，路堤中心高6 m，路基面寬12 m，邊坡坡度為1∶1.5；地基中剛性樁樁徑1 m，樁長(zhǎng)10 m，長(zhǎng)方形布置并穿過(guò)軟土層；路堤底部設(shè)0.5 m厚砂礫石墊層，中間夾一層雙向抗拉強(qiáng)度為80 kN／m的土工格柵。離心模型試驗(yàn)典型斷面如圖1所示。

圖1 離心模型試驗(yàn)典型斷面圖

模型率N取50，共進(jìn)行3組試驗(yàn)，樁間距分別為3 m、4 m和6 m。模型中地基土分為兩層，上、下層分別為粉質(zhì)粘土和粉砂；路基本體采用風(fēng)化花崗巖填筑；剛性樁分為現(xiàn)澆樁和測(cè)試樁，采用適當(dāng)配合比的水泥、粉煤灰以及碎石拌合而成；砂墊層采用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配的石英砂代替；土工格柵近似采用抗拉強(qiáng)度為1 738.33 N／m的紗網(wǎng)模擬。路基頂面放置雙線軌道重量與雙線列車中活載換算土柱等寬度等質(zhì)量的鋼板，鋼板的密度為7.85 kg／m3，鋼板尺寸（寬×高）為65 mm×14 mm。

2 有限元數(shù)值仿真

2.1 模型建立

盡管離心模型試驗(yàn)是研究復(fù)合地基工作性狀的有效的方法，但由于試驗(yàn)本身以及測(cè)試方法的限制，復(fù)合地基中坡體的刺入量等無(wú)法進(jìn)行測(cè)定。因此，建立有限元分析模型不僅可彌補(bǔ)離心試驗(yàn)的不足，也可對(duì)離心試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 模型計(jì)算假定和參數(shù)選取

建立模型時(shí)，作如下假設(shè)：

（1）假定樁間土、墊層、下臥層和路堤均為理想彈塑性體，假定樁體和土工格柵為線彈性體。

（2）不考慮地基土體的固結(jié)，忽略地基土模量和泊松比在樁體、路堤填筑的施工過(guò)程中的變化。

（3）除土工格柵外，所有材料均為各向同性均質(zhì)實(shí)體，不考慮溫度影響。

（4）Mohr-Coulomb模型的偏量偏心率取計(jì)算默認(rèn)值。

數(shù)值仿真工況與離心模型試驗(yàn)相同，路堤填料及地基土的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

剛性樁樁體的計(jì)算參數(shù)分別為：密度為2.2 g／cm3，彈性模量為15 GPa，泊松比為0.2。

根據(jù)路堤尺寸的大小，確定模型外界尺寸為36 m×20.5 m×20 m；土體采用四節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型，樁、褥墊層采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬；模型共有14 448個(gè)節(jié)點(diǎn)和12 600個(gè)單元，模型上表面為自由邊界，兩側(cè)為水平約束，底部為橫向和豎向約束，如圖2所示。

圖2 剛性樁復(fù)合地基三維數(shù)值模型圖

2.3 模型計(jì)算方案

考慮到路基結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取半幅路基建立模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)路堤和墊層沿線路縱向和對(duì)稱面施加位移邊界條件。

樁體、碎石墊層以及土工格柵采用生死單元模擬施工。路堤高度和分層填筑高度按實(shí)際情況考慮。在材料參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變復(fù)合地基的樁間距和樁徑來(lái)模擬樁間距和樁徑對(duì)復(fù)合地基工作性狀的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 路基沉降變形

離心模型試驗(yàn)的地基表面沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分布如圖3所示。路基面沉降最大值均發(fā)生在線路中心附近，樁間距為3 m、4 m和6 m時(shí)最大沉降值分別為15 mm、20 mm和26.6 mm，比數(shù)值計(jì)算結(jié)果稍大。在上部路堤荷載作用下地基土產(chǎn)生向外的擠出效應(yīng)，導(dǎo)致坡腳外側(cè)土體出現(xiàn)隆起，隆起量極值出現(xiàn)于坡腳外側(cè)約180 mm處，樁間距為3 m、4 m和6 m時(shí)對(duì)應(yīng)的極值分別為8.0 mm、9.2 mm與15.2 mm。

圖3 離心模型試驗(yàn)結(jié)束后地表沉降計(jì)算和試驗(yàn)曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著樁間距的增大，路堤中心附近最大沉降和坡腳附近隆起值均逐漸增大。樁間距由3 m增大到4 m時(shí)，坡腳外側(cè)隆起量極值增大了15%；樁間距由4 m增大到6 m時(shí)則增大了67.8%。這是由于隨著樁間距的增大，樁土置換率下降，當(dāng)上部荷載作用時(shí)，樁間土“土拱效應(yīng)”明顯，導(dǎo)致樁間土承受的豎向荷載增大，進(jìn)而導(dǎo)致地基沉降和坡腳外側(cè)隆起值明顯增加。當(dāng)樁間距增大到6 m時(shí)，此時(shí)路基中心地表沉降及坡腳外側(cè)隆起最大值均超過(guò)了15 mm，此時(shí)復(fù)合地基的穩(wěn)定性受到顯著的影響。

路基中心地表沉降隨路基填筑高度變化曲線如圖4所示，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。樁間距的大小對(duì)剛性樁復(fù)合地基的穩(wěn)定及沉降控制有較大的影響，綜合考慮造價(jià)和處理效果，應(yīng)將樁間距控制在4 m以內(nèi)。本次分析基于在固定填方高度為6 m時(shí)不同樁間距的邊坡變形情況，并未分析不同填方高度情況下復(fù)合地基的變形情況。

圖4 路基中心地表沉降隨路基填筑高度變化計(jì)算及試驗(yàn)曲線圖

3.2 地基水平位移

路堤坡腳處水平位移的大小直接關(guān)系到復(fù)合地基的變形系數(shù)（評(píng)價(jià)地基的穩(wěn)定程度），因此，研究剛性樁復(fù)合地基的穩(wěn)定性時(shí)，坡腳處水平位移大小是主要技術(shù)指標(biāo)。模型試驗(yàn)中坡腳處剖面水平位移分布曲線隨路堤填筑過(guò)程變化情況如圖5所示（以3 m樁間距為例）。

圖5 坡腳處剖面隨路堤填筑高度變化的水平位移計(jì)算典型曲線圖

計(jì)算結(jié)果表明，隨著地基深度的增加，水平變形先增大后減小，最大值出現(xiàn)在地基深度約80 mm處；在地基深度200 mm以下，地基水平位移已大大減小。地基的水平位移主要發(fā)生在剛性樁加固區(qū)，坡腳處水平位移最大值剛好在加固區(qū)中間深度范圍內(nèi)，形成“中間大兩頭小”的凸面，這主要是由于砂墊層、下臥層及剛性樁對(duì)加固區(qū)共同約束造成的。

路基填筑完成后，坡腳處的水平位移試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比曲線如圖6所示，兩者吻合良好。隨著樁間距的增大，坡腳處的水平變形逐漸增大；樁間距為3 m、4 m和6 m時(shí)坡腳處水平位移分別為12 mm、15 mm與22 mm；當(dāng)樁間距由3 m增加到6 m時(shí)，地基的變形系數(shù)（坡腳處的水平位移與路堤中心處的沉降比值）由0.663增大到0.8，增幅明顯，剛性樁復(fù)合地基的穩(wěn)定性有所降低。

圖6 地基坡腳剖面水平變形對(duì)比圖

3.3 基樁的穩(wěn)定性分析

隨著樁間距的增大，基樁傾斜程度增大。3 m樁間距模型斷面5根基樁均比較完整，只有坡腳處基樁發(fā)生微小傾斜，傾斜角度在5°左右；4 m樁間距模型斷面坡腳處基樁在軟土層與下臥層交界面的上方斷裂成兩半，上半部分已向外側(cè)滑移了2 mm左右；3 m樁間距模型斷面靠近坡腳的2根基樁均在軟土層和下臥層交界面的上方發(fā)生斷裂，坡腳處基樁傾斜20°左右。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在路堤柔性荷載作用下，剛性樁復(fù)合地基的側(cè)向變形使樁發(fā)生側(cè)向傾斜，樁體的傾斜程度與樁間距和上部荷載有關(guān)。樁間距越大，樁的傾斜程度越大；離坡腳越近，樁傾斜程度越明顯；主要原因是隨著樁間距的增加，地基土體在水平荷載作用下容易發(fā)生整體滑移，從而使樁體容易被剪斷，部分?jǐn)嗔衙媾c水平面成45°角。隨著樁體被剪斷，樁體承擔(dān)的荷載大幅度降低，進(jìn)而引起復(fù)合地基樁間土破壞，造成剛性樁復(fù)合地基的整體失穩(wěn)變形。

從基樁剪壞的位置可以得出，樁體剪壞的位置一般位于軟土層和下臥層交界面的上方1～2 m左右，隨著樁體離路基中心距離的增大，斷樁位置逐漸下移。這主要是由于上部土體在荷載作用下向外滑移擠出，上部土體的彈性模量小于下部土體的彈性模量，樁身剪應(yīng)力增大，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在土層分界面附近，而此時(shí)樁身應(yīng)變最大值也在土層分層面附近如圖7所示，當(dāng)最大值超過(guò)樁體抗剪強(qiáng)度時(shí)，樁基被剪斷，此時(shí)剛性樁無(wú)法約束軟土地基的側(cè)向位移，造成復(fù)合地基整體失穩(wěn)。

圖7 路堤中心附近基樁樁身應(yīng)變隨樁間距變化試驗(yàn)曲線圖

3.4 復(fù)合地基破壞模式

素混凝土樁復(fù)合地基破壞模式受多種因素影響，不僅與基礎(chǔ)剛度、地基土強(qiáng)度和土層分布有關(guān)，還與復(fù)合地基的設(shè)計(jì)參數(shù)（包括樁體強(qiáng)度、樁間距、樁長(zhǎng)）有關(guān)。試驗(yàn)中主要通過(guò)改變樁間距對(duì)復(fù)合地基的破壞模式進(jìn)行了分析，在樁間距為6 m時(shí)，路基坡腳發(fā)生了局部剪切破壞。坡腳外側(cè)土體出現(xiàn)明顯外移現(xiàn)象，靠近坡腳處的路堤邊坡出現(xiàn)較大裂縫，最外排樁具有明顯的刺入現(xiàn)象；靠近坡腳最外排樁體向外傾斜最嚴(yán)重，第二排次之，其余樁體傾斜不明顯；部分樁體出現(xiàn)斷樁，坡腳局部出現(xiàn)滑裂面，滑裂面切斷最外排樁體，貫穿至路堤坡面。

4 結(jié)論

本文采用離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探索了在不同樁間距下飽和松軟土中剛性樁復(fù)合地基的沉降變形規(guī)律、水平位移特性以及基樁的穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論：

（1）不同樁間距對(duì)路基沉降有較大的影響，樁間距越小，路基表面沉降越?。划?dāng)樁間距增大到6 m時(shí)，線路中心沉降及坡腳隆起值均超過(guò)了15 mm，此時(shí)復(fù)合地基穩(wěn)定性受到較大影響，應(yīng)將樁間距控制在4 m以內(nèi)。

（2）隨著深度的增加，土體側(cè)向位移先增大后減小，最大側(cè)向位移發(fā)生在軟土加固區(qū)的中間深度范圍內(nèi)，主要由于墊層、下臥層及樁體共同作用造成的。不同樁間距對(duì)坡腳處的水平位移影響較大，樁間距越大，復(fù)合地基整體穩(wěn)定系數(shù)越小。

（3）隨著樁間距的增大，基樁穩(wěn)定性越差，坡腳處的基樁容易發(fā)生傾斜和斷樁。基樁斷裂的位置在軟土層和下臥層交界面附近，主要原因是下臥層模量比軟土層模量大，基樁在交界面附近受到的剪應(yīng)力突然增大，進(jìn)而導(dǎo)致基樁斷裂，復(fù)合地基形成局部剪切破壞模式。