鄭光俊,盛春花,李振華,江洎洧

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司, 武漢 430010; 2.中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038;3.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430010)

0 引 言

水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)通過變廢為寶,提高了地基處理工程的綜合效益,與新時(shí)期國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與“雙碳”戰(zhàn)略高度契合,近年來得到了廣泛的發(fā)展和推廣應(yīng)用。從受力和變形上看,CFG樁與中低強(qiáng)度素混凝土樁無區(qū)別,與褥墊層和被加固土層協(xié)同受力形成復(fù)合地基[1]。因其加固效果顯著,備受工程界青睞,已在高層建筑、市政、高鐵等土木工程領(lǐng)域地基處理中得到廣泛應(yīng)用[2]。

原位試驗(yàn)最能直觀反映CFG樁復(fù)合地基系統(tǒng)受力效果?；ㄐ碌萚3]較早地針對CFG樁褥墊層結(jié)構(gòu)本身開展了載荷試驗(yàn),提出了褥墊層的厚度及材質(zhì)優(yōu)化建議;包華等[4]通過載荷試驗(yàn)測得CFG樁復(fù)合地基樁-土應(yīng)力比>50時(shí),可視為剛性樁復(fù)合地基,這種受力條件下褥墊層結(jié)構(gòu)安全性是必須考慮的問題,對此楊光華等[5]認(rèn)為過大的樁-土應(yīng)力比是剛性樁復(fù)合地基應(yīng)用擴(kuò)大化遇到的一個(gè)新問題;閆明禮等[6]也基于原位試驗(yàn)分析了CFG 樁承載特性和褥墊層對樁-土應(yīng)力比的影響,提出了一種復(fù)合地基承載力估算公式;姚云龍等[7]則將樁帽與墊層一同考慮,提出了調(diào)節(jié)樁-土應(yīng)力比的設(shè)計(jì)思想; 張旭群等[8]還提出了將剛性樁和亞剛性樁組合布置的設(shè)計(jì)思路,用于優(yōu)化褥墊層結(jié)構(gòu)及復(fù)合地基受力模式;徐妍彥等[9]也將CFG樁復(fù)合地基成功運(yùn)用于碼頭堆場軟基處理。

細(xì)觀分析和理論推導(dǎo)是揭示CFG樁復(fù)合地基承載機(jī)制的有效途徑。陳明等[10]根據(jù)剛性樁復(fù)合地基樁身的受力特性,從其變形模式出發(fā),利用Bjerrum公式,推導(dǎo)了考慮樁-土-墊層相互作用機(jī)制;Zhao等[11]按褥墊層-樁-土的協(xié)同受力模式,推導(dǎo)了剛性樁復(fù)合地基中樁-土相對位移的函數(shù)表達(dá)式;陶景暉等[12]在前人有關(guān)墊層厚度對樁-土應(yīng)力比影響規(guī)律基礎(chǔ)上,提出并推導(dǎo)了考慮墊層厚度和剛性樁間距因素的極限樁-土應(yīng)力比計(jì)算方法;肖耀廷等[13]以褥墊層為研究主體,考慮其在與樁土相互作用下的變形,認(rèn)為最終的臨界樁-土應(yīng)力比與上部填土荷載無關(guān);王惠昌等[14]通過對大量資料的分析認(rèn)為,剛性樁復(fù)合地基變形與褥墊層的壓縮量密切相關(guān),認(rèn)為可用樁頂褥墊層計(jì)算復(fù)合地基最大沉降。

數(shù)值模擬在細(xì)觀機(jī)制研究方面具有更好的呈現(xiàn)效果。張建偉等[15]采用有限方法模擬不同褥墊層材料、厚度及變形模量對樁-土應(yīng)力比的影響規(guī)律,對某水利工程CFG樁復(fù)合地基做了優(yōu)化研究;芮瑞[16]通過對復(fù)合地基受荷下細(xì)觀力鏈分布的分析,提出了按相對厚度控制墊層參數(shù)選取的建議,并對墊層的復(fù)雜變形協(xié)調(diào)機(jī)制做了分析;靳炎[17]則通過多因素正交計(jì)算方案,更深入地研究了剛性樁復(fù)合地基的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、復(fù)合地基土體應(yīng)力場承載特性和褥墊層位移、樁土位移等變形特性。

綜上可知,CFG樁復(fù)合地基作為一種典型剛性樁復(fù)合地基,褥墊層在復(fù)合地基受荷過程中起到重要的協(xié)調(diào)作用,而一旦樁-土應(yīng)力比過大則會對褥墊層安全運(yùn)行構(gòu)成威脅,這也是學(xué)者們一直以來關(guān)注的熱點(diǎn)之一。對褥墊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化,有助于提高樁間土在復(fù)合地基承載能力中的作用,促進(jìn)樁-土協(xié)同受力、降低樁土應(yīng)力比。鄭剛等[18]結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)提出樁頂下設(shè)置一定厚度的褥墊層,這有助于改善樁土荷載分擔(dān)比和減小樁頂刺入量,其本質(zhì)在于提高了表層樁間土的工程特性,避免受虛土層的影響,而使剛性樁-褥墊層將樁間土“架空”,引發(fā)過高的樁-土應(yīng)力比。

基于以上分析,本文以具體水利工程中的端承式CFG樁復(fù)合地基為案例開展研究,提出了一種嵌入式褥墊層復(fù)合結(jié)構(gòu),相比于直接在樁頭截?cái)嗥矫婧唵握移胶?平鋪形成的褥墊層,采用壓實(shí)碎石對表層樁間擾動(dòng)土層進(jìn)行換填,有助于提高樁間土持力性能,改善褥墊層-剛性樁-樁間土的受力關(guān)系,詳細(xì)分析了褥墊層-CFG樁-樁間土的變形受力機(jī)制。

1 工程研究背景

重慶銅車壩水利樞紐位于潼南區(qū)復(fù)興河,地形整體呈丘陵,河谷呈“U”型,高約10 m,河谷寬高比約8.2。壩基下伏地層工程地質(zhì)特性描述如下:

(1)覆蓋層為沖洪積粉質(zhì)黏土(Q4al+pl),褐灰色,軟—可塑狀,中—高壓縮性,厚1.4～7.7 m,主要分布于左右岸臨近河床位置,局部偶見淤泥質(zhì)、腐殖質(zhì)。

(2)基巖為侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)紫紅色泥巖:強(qiáng)風(fēng)化巖體風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖石力學(xué)強(qiáng)度較低;弱風(fēng)化巖體錘擊聲較脆,巖體表面及裂隙面變色。

借水壩是樞紐重要組成部分,為混凝土重力壩,壩頂長99.0 m,壩頂寬6.0 m。壩基和閘基下伏覆蓋層為工程地質(zhì)特性不良的粉質(zhì)黏土層軟弱層,需對地基進(jìn)行處理,使其滿足承載力和變形要求(圖1)。

圖1 CFG樁復(fù)合地基及上部結(jié)構(gòu)斷面

考慮到該軟土層最大厚度約11.4 m,且附近熱電廠有粉煤灰固體廢棄物可加以利用,擬采用CFG樁復(fù)合地基,樁徑0.6 m,樁間距1.4 m,按格柵形布置,樁端進(jìn)入軟弱基巖0.3 m。褥墊層結(jié)構(gòu)按初步方案為在樁頂鋪設(shè)30 cm厚的10%水泥土層,但可能存在樁間土被褥墊層和CFG樁架空而無法較好地參與復(fù)合地基協(xié)同受力的問題。

本文提出對截樁面下約50 cm厚劇烈影響區(qū)土層采用壓實(shí)碎石換填,再鋪設(shè)水泥土墊層的方案,形成新型嵌入式褥墊層,優(yōu)化復(fù)合地基受荷后的樁土應(yīng)力比。

2 不同褥墊層結(jié)構(gòu)現(xiàn)場載荷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

CFG樁試驗(yàn)區(qū)共兩片,每個(gè)區(qū)內(nèi)CFG樁數(shù)為4×4=16根,樁徑為60 cm,樁間距1.4 m,按正方形布置(圖2)?？硬坶_挖完畢后截樁整平,兩片試驗(yàn)區(qū)分別按常規(guī)平鋪式褥墊層和新型嵌入式褥墊層鋪設(shè)。圖3為嵌入式褥墊層結(jié)構(gòu)及壓力監(jiān)測布置。

圖2 CFG樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)

圖3 嵌入式褥墊層結(jié)構(gòu)圖及土壓力盒平面布置

載荷試驗(yàn)采用智能弦式壓力盒監(jiān)測土壓力,儀器靈敏度為0.001 MPa。樁頂壓力盒量程2.0 MPa,樁間土壓力盒量程0.5 MPa,壓力盒標(biāo)定無誤后方可使用。

按圖4埋設(shè)壓力盒,埋設(shè)流程要點(diǎn)如下:

圖4 埋設(shè)完畢的壓力盒狀態(tài)

(1) 樁頂壓力盒埋設(shè)。在樁頂壓力測點(diǎn)處鑿出一凹槽,用砂壓實(shí)墊平,土壓力盒承壓膜面朝上,埋設(shè)后膜板要求與樁頂面齊平,不能凸出或凹進(jìn)。

(2) 樁間土壓力盒埋設(shè)。對常規(guī)褥墊層,在擬埋設(shè)處鋪設(shè)一層10～15 cm的中粗砂層夯實(shí)找平;對嵌入式褥墊層,對壓實(shí)碎石表面做適當(dāng)整理,用中粗砂充分填充碎石孔隙并夯實(shí)找平,避免壓力盒傾斜或側(cè)翻。

在壓力盒上鋪設(shè)薄層中粗砂密實(shí)包裹后,鋪設(shè)表層30 cm厚度的摻10%水泥土褥墊層施工。

2.2 試驗(yàn)成果分析

對表層水泥土墊層養(yǎng)護(hù)72 h后,開展現(xiàn)場載荷試驗(yàn),測得兩種褥墊層條件下復(fù)合地基p-s曲線如圖5(a)所示;同時(shí),對樁頂和樁間土各3個(gè)壓力盒數(shù)據(jù)整理并取平均值計(jì)算,繪制樁土應(yīng)力比-荷載曲線如圖5(b)所示。

簡要分析圖5可得:

(1)采用嵌入式褥墊層和常規(guī)褥墊層時(shí),復(fù)合地基p-s曲線線性段最大載荷分別為1 100、1 000 kPa,采用嵌入式褥墊層時(shí),碎石嵌入體起到了更好的荷載傳遞和過渡作用,其與下部天然地基共同作用的綜合剛度更大,持力效果優(yōu)于常規(guī)褥墊層;對于常規(guī)褥墊層,在加載初期200～300 kPa存在輕微頓挫,線性段過后變形增量顯著高于嵌入式褥墊層,且從卸載曲線來看,常規(guī)褥墊層回彈量低于嵌入式褥墊層,整體承載能力和變形協(xié)調(diào)性不及嵌入式褥墊層。

(2)結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)情況和樁間土工程特性,常規(guī)褥墊層條件下加載初期出現(xiàn)輕微頓挫為樁頂初次刺入褥墊層的應(yīng)力變形調(diào)整,即水泥土平鋪墊層、CFG樁與樁間土三者協(xié)調(diào)性較差導(dǎo)致,未經(jīng)換填的樁間土被水泥土墊層和CFG樁“架空”,施加一定荷載后CFG樁樁頂通過向墊層刺入達(dá)到初期平衡,因總體載荷量較小,調(diào)整后復(fù)合地基荷載曲線重新進(jìn)入線性段。

(3)線性區(qū)間段,常規(guī)褥墊層樁土應(yīng)力比自5.2增至22.9,而嵌入式褥墊層由5.0增至13.2,嵌入式褥墊層樁土應(yīng)力比峰值較常規(guī)式降低約40%,變幅由17.7降至7.2;另,從線性段過后樁頂沉降量來看,常規(guī)褥墊層樁土應(yīng)力比出現(xiàn)陡降,其物理意義為樁頂向褥墊層突擊式刺入,伴隨較為劇烈應(yīng)力變形調(diào)整,而嵌入式褥墊層條件下,樁土應(yīng)力比峰后下降幅度較小,驗(yàn)證嵌入式褥墊層復(fù)合地基總體穩(wěn)定性更優(yōu)的判斷。

(4)初期2種褥墊層樁土應(yīng)力較接近主要原因?yàn)楸韺铀嗤翂|層自身起到了較好的承載作用,該階段變形量較小,不論是碎石嵌入體(實(shí)測壓實(shí)度約0.91)還是樁間軟土,其與CFG樁模量均存在一定差距。

3 褥墊層-CFG樁-土相互作用機(jī)制

復(fù)合地基場地中,不同部位CFG樁受力狀態(tài)不盡相同。為更好探討復(fù)合地基協(xié)同作用機(jī)制,擬選取3×3=9根樁為一個(gè)完整計(jì)算單元進(jìn)行CFG群樁復(fù)合地基數(shù)值模擬,分析CFG樁-常規(guī)式/嵌入式褥墊層-樁間土的相互作用規(guī)律,并對中部樁、邊樁和角樁等不同部位樁的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

CFG群樁復(fù)合地基載荷數(shù)值試驗(yàn)應(yīng)力路徑相對簡單,為單向加載問題,難點(diǎn)在于嵌入式/常規(guī)式褥墊層結(jié)構(gòu)-CFG群樁-樁間土-底部基巖的變形傳遞與應(yīng)力重分布規(guī)律,巖土體介質(zhì)本身應(yīng)力變形相對簡單,采用摩爾-庫倫模型進(jìn)行模擬;CFG樁按彈性模型模擬。主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土單元體物理力學(xué)參數(shù)

詳細(xì)說明如下:

(1)復(fù)合地基位于地勢較低的河谷,巖土體長期處于飽和狀態(tài),參照飽和條件測試的各參數(shù)取值。

(2)樁間土為沖洪積粉質(zhì)黏土,現(xiàn)場鉆孔取樣后按固結(jié)快剪測試抗剪強(qiáng)度;強(qiáng)風(fēng)化巖層基于現(xiàn)場大剪試驗(yàn)取值;水泥土墊層參數(shù)基于室內(nèi)試塊測試結(jié)果;碎石嵌入體(實(shí)測壓實(shí)度0.91)由室內(nèi)大三軸試驗(yàn)獲取。

(3)樁間土、水泥土墊層和碎石嵌入體為壓縮模量,強(qiáng)風(fēng)化泥巖為變形模量,泊松比按經(jīng)驗(yàn)值選取。

(4)CFG樁參數(shù)基于28 d鉆孔取芯測取,其飽和重度為22.0 kN/m3,壓縮模量平均值為12.5 GPa。

(5)CFG樁體為水灰比較低的干性素混凝土,樁體表面粗糙度較高;CFG樁-樁間土界面剪切特性也通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)進(jìn)行了測試,飽和狀態(tài)下粉質(zhì)黏土與模擬實(shí)際CFG樁體表面粗糙程度的試塊間未呈現(xiàn)剪切面,總體強(qiáng)度受粉質(zhì)黏土控制,因此將界面摩擦系數(shù)按樁間土摩擦角,即φ=9.0°進(jìn)行取值。

此外,計(jì)算中對巖土體壓縮/變形模量的取值,以表1相應(yīng)參數(shù)為基準(zhǔn),結(jié)合圖5(a)的p-s曲線首先開展對比驗(yàn)證,而后進(jìn)行詳細(xì)機(jī)理分析計(jì)算工作。

3.2 數(shù)值計(jì)算方案

采用FLAC3D有限差分程序進(jìn)行計(jì)算,圖6(a)為計(jì)算模型,共包含12 480個(gè)單元、15 344個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

模型尺寸與現(xiàn)場試驗(yàn)對應(yīng)的地質(zhì)情況一致,即按樁徑60 cm、樁間距1.4 m布置9根長度6 m的CFG樁(圖6(b)),包括了中樁、邊樁和角樁,可更全面反映復(fù)合地基受力特征。

考慮樁與周邊單元設(shè)接觸單元隔離;頂部剛性加載板與水泥土間也設(shè)置接觸單元(圖6(c)),接觸面強(qiáng)度按水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。

數(shù)值計(jì)算流程:

(1)計(jì)算約束條件。圖6(a)數(shù)值模型在計(jì)算求解前約束模型底部節(jié)點(diǎn)豎向位移和側(cè)邊水平位移。

(2)初始地應(yīng)力平衡。完成CFG樁植入和墊層鋪設(shè),平衡后將位移清零,得到豎向加載前初始應(yīng)力場。

(3)分級加載參數(shù)調(diào)試。參照圖5(a)的2種褥墊層結(jié)構(gòu)的p-s曲線進(jìn)行調(diào)試,參考上海地區(qū)工程勘查經(jīng)驗(yàn),經(jīng)對現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反饋分析,樁間土、水泥土墊層、碎石嵌入體及泥巖彈性模量取表1對應(yīng)模量的3.5倍時(shí),現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)p-s曲線吻合較好。

(4)接觸面剛度參數(shù)校正。經(jīng)試算,接觸面法向和切向剛度取3 GPa時(shí),計(jì)算收斂速度較快,且較好地避免了接觸面兩側(cè)單元刺入對計(jì)算結(jié)果的干擾。

(5)樁-土應(yīng)力比和應(yīng)力變形監(jiān)測。對樁體應(yīng)力和樁間土應(yīng)力獲取,得到加載過程中樁-土應(yīng)力比的演化特性;同時(shí)得到復(fù)合地基系統(tǒng)的應(yīng)力變形場。

3.3 復(fù)合地基協(xié)同受力機(jī)制分析

分別開展嵌入式和常規(guī)式2種褥墊層CFG樁復(fù)合地基承載力數(shù)值試驗(yàn)。圖7(a)為全過程樁-土應(yīng)力比n演化曲線;圖7(b)為全過程樁頂刺入水泥土褥墊層變形量曲線。

圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)樁土應(yīng)力比-荷載曲線對比和CFG樁刺入水泥土墊層位移曲線

(1)常規(guī)褥墊層樁土應(yīng)力比峰值擬合較為準(zhǔn)確,嵌入式褥墊層全過程樁土應(yīng)力比演化趨勢具有較高的擬合度。細(xì)節(jié)方面的差異主要原因是天然地層工程地質(zhì)特性具有一定隨機(jī)性,但兩種褥墊層的受荷特征差異性得到了較充分的反映。

(2)CFG樁頂刺入水泥土墊層位移在400 kPa荷載范圍內(nèi)實(shí)測與計(jì)算值基本重合,與加載初期兩者樁土應(yīng)力比趨勢一致,主要原因是前期水泥土褥墊層作為“硬殼層”起到了較好協(xié)調(diào)作用;荷載進(jìn)一步增大后,2種褥墊層變形機(jī)制出現(xiàn)分化,嵌入式褥墊層對CFG樁頂刺入水泥土墊層變形量控制更優(yōu),直至1 500 kPa荷載仍無顯著變形拐點(diǎn),地基承載穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯。

以加載至最終1 500 kPa荷載為例,對CFG樁復(fù)合地基整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分布規(guī)律做詳細(xì)分析。圖8(a)為中間斷面褥墊層-CFG樁變形等值線;圖8(b)為9樁覆蓋范圍水泥土墊層變形形態(tài)(均放大50倍)。

圖8 中部斷面樁-褥墊層變形等值線和CFG樁上部水泥土變形形態(tài)(荷載=1 500 kPa)

分析如下:

(1)嵌入式褥墊層樁-褥墊層相互作用更均勻,變形等值線梯度較緩,褥墊層與碎石嵌入體構(gòu)成了一個(gè)相對整體協(xié)調(diào)的承載“帽子”;而常規(guī)式褥墊層由于水泥土直接與樁間土接觸,沒有碎石嵌入體作為過渡單元,樁間土分荷比較低,等值線變化梯度大,變形局部化特征明顯,這是導(dǎo)致常規(guī)褥墊層樁土應(yīng)力比過大的直接原因。

(2)圖8(b)直觀展示了9樁覆蓋范圍水泥土變形形態(tài),常規(guī)式褥墊層中,CFG樁體投影部位局部上凸顯著,水泥土層邊緣卷邊和翹曲現(xiàn)象明顯,在復(fù)合地基大面積受荷情況下,位于上部結(jié)構(gòu)荷載突變處附近或邊緣角點(diǎn)處的水泥土層將存在開裂、隆起等諸多問題;而從嵌入式褥墊層整體變形形態(tài)來看,其協(xié)調(diào)性和均勻性顯著優(yōu)于常規(guī)式褥墊層,特別是邊緣角點(diǎn)翹曲問題顯著改善。

3.4 不同部位CFG樁變形分析

CFG樁在復(fù)合地基中大面積布設(shè),從所處部位看,包括中樁(四周均有其他CFG樁)、邊樁(一側(cè)無CFG樁)和角樁(角點(diǎn)部位的CFG樁)3種。據(jù)3.3節(jié)的分析,嵌入式褥墊層在控制樁土受荷應(yīng)力比和整體均勻變形方面具有優(yōu)勢。本節(jié)主要對2種褥墊層條件下3種部位CFG樁的變形模式進(jìn)行分析。

圖9繪制了3種部位CFG樁水平變形沿樁身的變化曲線。

圖9 不同部位CFG樁樁身水平變形曲線

由圖9可以看出:

(1)中樁由于四周均勻分布有8根CFG樁,豎向荷載作用下的水平變形分量很小,2種褥墊層條件下中樁內(nèi)外側(cè)水平變形絕對量在0.4 mm內(nèi),樁身相對水平變形最大值<0.3 mm。

(2)2種褥墊層條件下邊樁的CFG樁水平變形量值與模式均存較大差異。嵌入式褥墊層CFG邊樁最大水平位移約0.8 mm,且沿樁身變形相對均勻,3 m以下至底部變形較小,上部3 m呈均勻的輕微撓曲;常規(guī)式褥墊層CFG邊樁有明顯反彎點(diǎn),位于約3 m深度處,最大水平變形約3.5 mm,對應(yīng)的CFG樁最大拉應(yīng)力超1.29 MPa,受力狀態(tài)不良。

(3)角樁三邊與天然地基相鄰,受力狀況最為不利。嵌入式和常規(guī)式褥墊層條件下CFG樁最大水平變形分別為4.47、7.33 mm,且變形模式差異較大。與邊樁類似,嵌入式褥墊層CFG樁整體變形相對均勻。但由于周邊約束較小,CFG樁中下部約束減弱,3 m以下樁基最大水平變形>0.5 mm,上部3 m水平變形增加較為均勻,區(qū)間增量<4 mm,底部約束性減弱反而有利于樁身彎矩和拉應(yīng)力釋放;對于常規(guī)式褥墊層,3 m深度附近的反彎點(diǎn)仍然存在,且反彎更加劇烈,上部3 m的區(qū)間水平位移增量>7 mm,CFG樁最大拉應(yīng)力>2.14 MPa,存在折斷風(fēng)險(xiǎn)。

(4)嵌入式褥墊層復(fù)合地基變形協(xié)調(diào)性好,且嵌入體對頂部CFG樁的水平變位具有一定約束效應(yīng),有效控制了中部樁體的反彎,其受力模式由常規(guī)褥墊層下的接近“懸臂式”變?yōu)榻咏昂喼健?。由此可?嵌入式褥墊層的優(yōu)勢除提高了變形協(xié)調(diào)性和褥墊層均勻變形性之外,還對CFG樁本身的變形受力狀態(tài)有優(yōu)化效果,特別是對邊樁、角樁變形受力狀態(tài)有較大改善。

4 結(jié) 論

基于CFG剛性樁復(fù)合地基褥墊層存在潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)較大的問題,本研究提出一種嵌入式褥墊層結(jié)構(gòu),通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)和9樁復(fù)合地基數(shù)值試驗(yàn),對比了嵌入式褥墊層和常規(guī)式褥墊層的受荷模式與機(jī)制差異,得到以下主要結(jié)論:

(1)嵌入式褥墊層測得現(xiàn)場加載全過程樁土應(yīng)力比區(qū)間為5.0～13.2,而常規(guī)式褥墊層為5.2～22.9,嵌入式褥墊層樁土應(yīng)力比峰值較常規(guī)式降低約40%,且變幅由17.7顯著降至7.2;嵌入式褥墊層復(fù)合地基p-s曲線線性段終點(diǎn)較常規(guī)式褥墊層提高 10%;地基加速沉降階段,常規(guī)褥墊層樁土應(yīng)力比有陡降過程,表明樁頂向褥墊層存在突擊式刺入,而嵌入式褥墊層樁土應(yīng)力比峰后下降幅度較小,采用嵌入式褥墊層復(fù)合地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和協(xié)同受荷特性更優(yōu)。

(2)開展了包含9根CFG樁的復(fù)合地基載荷數(shù)值試驗(yàn),嵌入式褥墊層復(fù)合地基受荷更加均勻,而常規(guī)式褥墊層樁間土分荷比較低,變形局部化特征明顯。嵌入式褥墊層整體變形協(xié)調(diào)性顯著優(yōu)于常規(guī)式褥墊層,常規(guī)式褥墊層在樁體投影部位存在顯著局部上凸,且邊緣存在不均勻卷邊和翹曲,不利于較大受荷下褥墊層結(jié)構(gòu)的安全。

(3)嵌入式褥墊層結(jié)構(gòu)還可有效改善CFG樁復(fù)合地基中邊樁和角樁的變形受力特性,這與嵌入體對頂部樁體水平變位約束的增強(qiáng)有關(guān),有利于復(fù)合地基的整體安全承載。

綜上,碎石嵌入體在常規(guī)水泥土褥墊層和樁間天然土層之間起到了良好的過渡作用,在復(fù)合地基協(xié)同受力、褥墊層整體安全性、CFG樁運(yùn)行期受力變形安全性方面優(yōu)勢明顯。加之碎石嵌入體換填施工難度較小,流程簡單,有利于在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。