多樁型復(fù)合地基作用機(jī)理與動(dòng)力特性研究

多樁型復(fù)合地基作用機(jī)理與動(dòng)力特性研究

張艷美1， 潘振華2， 張鴻儒3， 王震1， 黃春霞4

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266580；

2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘062552；

3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044 ； 4.南京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京210009)

摘要：對(duì)由碎石樁和CFG樁構(gòu)成的多樁型復(fù)合地基的作用機(jī)理進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬，對(duì)多樁型復(fù)合地基的動(dòng)力特性進(jìn)行研究，探討樁型配比、樁徑、樁長(zhǎng)、CFG樁樁體剛度和碎石樁樁體滲透性等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)多樁型復(fù)合地基動(dòng)力特性的影響。研究結(jié)果表明：相同條件下地震期多樁型復(fù)合地基的動(dòng)變形小于碎石樁復(fù)合地基而大于CFG樁復(fù)合地基，震后沉降量相對(duì)較小，在工程設(shè)計(jì)時(shí)碎石樁與CFG樁的樁型配比宜為4∶5；隨樁體長(zhǎng)度、樁體直徑和CFG樁剛度的增加，多樁型復(fù)合地基地震期的豎向動(dòng)變形逐漸減小；隨碎石樁樁體滲透性的增加，多樁型復(fù)合地基中的超動(dòng)孔隙水壓力減小，震后沉降量降低。

關(guān)鍵詞：多樁型復(fù)合地基； 作用機(jī)理； 動(dòng)力特性； 動(dòng)變形

收稿日期：*2014-08-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介：張艷美(1972-)，女，山東濱州人，副教授，從事土動(dòng)力學(xué)、巖土工程加固技術(shù)與數(shù)值分析、地下結(jié)構(gòu)工程研究.E-mail：zhangym@upc.eud.cn

中圖分類號(hào):TU47文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0082

Research on Mechanism and Dynamic Characteristics of Composite

Foundation with Multi-type Piles

ZHANG Yan-mei1， PAN Zhen-hua2， ZHANG Hong-ru3，

WANG Zhen1， HUANG Chun-xia4

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong)，Qingdao，Shandong266580，China；

2.NorthChinaCompany，ChinaPetroleumEngineeringCo.，Ltd，Renqiu，Hebei062552，China；

3.SchoolofCivilEngineering，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China；

4.CollegeofTransportationScience&Engineering，NanjingTechUniversity，NanjingJiangsu210009，China)

Abstract：To meet the requirements of bearing capacity and anti-liquefaction of liquefiable foundations，the reinforcement of liquefiable soil using CFG piles combined with gravel piles is used in engineering.In this study, a composite foundation with multi-type piles composed of gravel piles and CFG piles was analyzed.In composite foundations with multi-type piles，gravel piles are supplemented piles that are mainly used to accelerate the foundation drainage consolidation.CFG piles are the main piles that undertake greater seismic load and reduce the dynamic pore pressure and post-earthquake settlement of the foundation.A composite foundation with multi-type piles composed of gravel and CFG piles can improve the bearing capacity and liquefaction resistance of a liquefiable foundation.A three dimensional numerical model was established and the dynamic characteristics of a composite foundation with multi-type piles was studied through numerical simulation；the influence of design parameters such as the ratio of pile type，pile diameter，pile length，CFG pile body stiffness，and gravel pile body permeability on dynamic characteristics of a composite foundation with multi-type piles was analyzed.The results show that the dynamic deformation of a composite foundation，including gravel pile composite foundation，CFG pile composite foundation，and composite foundation with multi-type piles is obviously smaller than that of a natural foundation during earthquakes，and the dynamic deformation decreases with increase in the number of CFG piles.When the ratio of gravel piles and CFG piles is 4：5，the dynamic deformation curve of a composite foundation with multi-type piles is close to that of the CFG pile composite foundation and the influence of the increase in the amount of CFG piles on the reduction in the dynamic deformation of the composite foundation is no longer obvious.When the ratio of gravel piles and CFG piles is 4：5，the dynamic pore water pressure of the composite foundation with multi-type piles is relatively small compared to that of the CFG pile composite foundation，and the composite foundation settlement caused by the earthquake is also relatively low.In engineering design，an appropriate ratio of gravel piles to CFG piles is 4∶5.The pile diameter，pile length，CFG pile body stiffness，and gravel pile body permeability can affect the dynamic deformation of a composite foundation with multi-type piles.With increase in the pile length，pile diameter，and CFG pile stiffness，the vertical dynamic deformation of the composite foundation with multi-type piles decreases gradually.With the increase of the permeability of the gravel pile body，the excess dynamic pore water pressure in the composite foundation with multi-type piles and the deformation after an earthquake decrease.

Key words： composite foundation with multi-type piles； mechanism； dynamic characteristics； dynamic deformation

0引言

為了滿足實(shí)際工程需求，近年來(lái)出現(xiàn)了多樁型復(fù)合地基，即將不同材料或不同長(zhǎng)度的樁聯(lián)合起來(lái)加固地基。由于樁體類型較多，單一類型樁地基都有一定的適用范圍，有各自的優(yōu)勢(shì)和局限，多樁型復(fù)合地基往往能取不同樁體的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到更好的加固效果。

與單一類型樁復(fù)合地基相比，多樁型復(fù)合地基的作用機(jī)理更為復(fù)雜。目前關(guān)于多樁型復(fù)合地基的研究已逐步展開，特別是針對(duì)靜荷載作用下多樁型復(fù)合地基承載力和變形方面的研究已取得了豐碩成果[1-11]。另外，現(xiàn)行《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)也首次納入了多樁型復(fù)合地基[12]。但是，對(duì)于像道路、鐵路以及可液化地基土處理等工程，多樁型復(fù)合地基不僅承受靜荷載，還會(huì)受到動(dòng)荷載作用。隨著多樁型復(fù)合地基在工程中的推廣和應(yīng)用，需要深入了解多樁型復(fù)合地基的動(dòng)力特性，到目前為止，關(guān)于多樁型復(fù)合地基動(dòng)力特性的研究尚處于起步階段[13-14]。

本文以碎石樁與CFG樁構(gòu)成的多樁型復(fù)合地基為例，結(jié)合某油庫(kù)實(shí)際工程地質(zhì)資料，研究其在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，其中計(jì)算時(shí)作用于復(fù)合地基的靜荷載是根據(jù)油庫(kù)報(bào)告及相關(guān)資料得出的，將儲(chǔ)油罐荷載簡(jiǎn)化成均布荷載，大小為120 kPa。

1多樁型復(fù)合地基作用機(jī)理分析

碎石樁是散體材料樁，在地基處理時(shí)對(duì)于松散砂土和粉土地基主要起到振密、擠密和抗液化作用；對(duì)于軟弱黏土地基主要起到置換和排水固結(jié)作用。事實(shí)上，盡管碎石樁能夠在一定程度上提高地基的承載力，但是由于碎石樁為散體材料樁，樁體強(qiáng)度的大小主要靠周圍土體對(duì)它的約束作用，當(dāng)?shù)鼗翉?qiáng)度不高時(shí)，碎石樁樁體效應(yīng)的發(fā)揮和對(duì)地基承載力的提高幅度有限，有時(shí)難以滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力的要求。

CFG樁是高黏結(jié)強(qiáng)度樁，樁體效應(yīng)顯著，一般情況下它可以發(fā)揮全樁長(zhǎng)的側(cè)阻作用，如果樁端落在好土層上時(shí)也能發(fā)揮端阻作用，從而更好地提高地基的承載力。

由碎石樁和CFG樁構(gòu)成的多樁型復(fù)合地基，一方面能利用碎石樁本身滲透性大的特點(diǎn)，加速軟土地基的固結(jié)以及地震作用引起的超動(dòng)孔隙水壓力的消散，同時(shí)又能利用CFG樁本身強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，提高地基的承載力、減小地基的沉降量。同時(shí)，在地震作用下，由于CFG樁承擔(dān)了更多的地震荷載，從而減小了樁間土受到的剪應(yīng)力，進(jìn)而減小了地基土中超動(dòng)孔隙水壓力的積累和地基的震后沉降量；對(duì)于可液化地基來(lái)說，提高了地基的抗液化能力。

2計(jì)算參數(shù)及數(shù)值計(jì)算模型

2.1計(jì)算參數(shù)

多樁型復(fù)合地基計(jì)算參數(shù)見表1。若無(wú)特殊說明，計(jì)算時(shí)樁徑取0.6 m、樁長(zhǎng)取12 m、樁間距取1.8 m、CFG樁剛度為1 600 MPa。

表 1　計(jì)算參數(shù)

2.2計(jì)算模型

多樁型復(fù)合地基采用正方形布樁(圖1)。在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算時(shí)，靜荷載引起的超靜孔隙水壓力和位移均清零。底面為不透水基巖固定端，頂面為透水自由面，周邊設(shè)置FLAC3D軟件提供的自由邊界。CFG樁采用線彈性模型，網(wǎng)格劃分見圖2。若無(wú)特殊說明，計(jì)算結(jié)果指的是1點(diǎn)或其下某深度處的計(jì)算結(jié)果(圖2(b))。

圖1　多樁型復(fù)合地基示意圖 Fig.1　Sketch of the composite foundation with multi-type piles

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖 Fig.2　Grid map of the model

2.3地震波輸入

采用E1 CENTRO波作為輸入地震波(圖3)。計(jì)算時(shí)將最大加速度調(diào)整至0.2 g作為Ⅷ度設(shè)防時(shí)的最大地震加速度，只考慮地震剪切波單向垂直傳入地基，不考慮雙向和三向傳入。

圖3　EI CENTRO波加速度時(shí)程曲線 Fig.3　Acceleration time-history curve of EI CENTRO wave

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1樁型配比的影響

圖4為多樁型復(fù)合地基布置圖，碎石樁與CFG樁的樁型配比分別取為8∶1、5∶4和4∶5。圖中深色代表CFG樁，淺色代表碎石樁。

圖5對(duì)比了120 kPa均布靜荷載作用下不同復(fù)合地基的沉降云圖。由計(jì)算結(jié)果知，當(dāng)樁體全部為碎石樁時(shí)(圖5(a))，樁間土的最大沉降量為22.72 cm；全部為CFG樁時(shí)(圖5(b))，最大沉降量為14.47 cm；碎石樁與CFG樁的配比為8∶1時(shí)(圖5(c))，最大沉降量為20.65 cm；配比分別取5∶4和4∶5時(shí)(圖5(d)、圖5(e))，最大沉降量分別為19.79 cm 和18.75 cm。可見，隨著CFG樁的加入樁間土的沉降量逐漸減小。在碎石樁與CFG樁構(gòu)成的多樁型復(fù)合地基中，CFG樁為主樁，承擔(dān)主要荷載并控制地基的沉降變形；碎石樁為輔樁，承擔(dān)小部分荷載，主要起加速地基排水固結(jié)的作用。

圖4　不同配比下碎石樁和CFG樁布置圖 Fig.4　Diagram of gravel piles and CFG piles in different proportions

圖5　不同樁型復(fù)合地基的沉降云圖 Fig.5　Settlement nephogram of the composite foundation with different types of pile

圖6反映了地震期不同類型地基在1點(diǎn)(圖1(b))處的豎向變形時(shí)程曲線。可以看出，地震期復(fù)合地基的動(dòng)變形量明顯小于天然地基，且隨CFG樁數(shù)量的增加，動(dòng)變形減小；當(dāng)碎石樁與CFG樁的配比為4∶5時(shí)，多樁型復(fù)合地基與CFG樁復(fù)合地基的動(dòng)變形曲線接近，繼續(xù)增多CFG樁的數(shù)量，對(duì)復(fù)合地基動(dòng)變形減小的影響已經(jīng)不再明顯。

圖6　地震期復(fù)合地基的動(dòng)變形時(shí)程曲線 Fig.6　Dynamic deformation time-history curves of composite foundation during earthquake

與CFG樁復(fù)合地基相比，碎石樁與CFG樁配比為4∶5時(shí)，多樁型復(fù)合地基產(chǎn)生的動(dòng)孔隙水壓力相對(duì)較小(圖7)，故地震結(jié)束后，復(fù)合地基所產(chǎn)生的沉降量也相對(duì)較低。

圖7　地震期復(fù)合地基的動(dòng)孔壓時(shí)程曲線(4 m處) Fig.7　Dynamic pore pressure time-history curves of composite foundation during earthquake (at a depth of 4 m)

圖8對(duì)比了地震作用下不同樁型配比的多樁型復(fù)合地基的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線。當(dāng)碎石樁與CFG樁配比分別為8∶1、5∶4和4∶5時(shí)，地基1點(diǎn)(圖1(b))2 m處樁間土的最大水平加速度分別為2.596 m/s2、2.438 m/s2和2.418 m/s2。說明隨CFG樁的加入，地基減震效果增加，當(dāng)配比小于5∶4時(shí)，再增加CFG樁的數(shù)量，減小地基振動(dòng)的效果已不再明顯。

3.2樁體設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

圖9反映了樁長(zhǎng)、樁徑、CFG樁樁體剛度等因素對(duì)多樁型復(fù)合地基豎向動(dòng)變形的影響。通過曲線對(duì)比可知，隨樁體長(zhǎng)度、樁體直徑和CFG樁剛度的增加，多樁型復(fù)合地基地震期的豎向動(dòng)變形逐漸減小，其中樁體直徑和CFG樁剛度的影響相對(duì)較大。

圖10反映了樁徑、碎石樁滲透系數(shù)等因素對(duì)多樁型復(fù)合地基豎向動(dòng)孔隙水壓力的影響。可以看出，隨樁體直徑的增大、碎石樁滲透系數(shù)的增加，地基中的動(dòng)孔隙水壓力減小，故復(fù)合地基的震后沉降量降低。因此，為了減小地基的震后沉降量，應(yīng)確保碎石樁樁體的滲透性。

4結(jié)語(yǔ)

(1) 在碎石樁和CFG樁構(gòu)成的多樁型復(fù)合地基中，CFG樁為主樁，主要提高了地基的承載力，減小了地基的沉降量；碎石樁為輔樁，主要加速了地基土的排水固結(jié)。

圖8　地震期復(fù)合地基的加速度時(shí)程曲線(2 m處) Fig.8　Acceleration time-history curves of composite foundation during earthquake (at a depth of 2 m)

圖9　不同樁體設(shè)計(jì)參數(shù)下地震期多樁型復(fù)合地基的動(dòng)變形時(shí)程曲線(4∶5) Fig.9　Dynamic deformation time-history curves of composite foundation with multi-type piles with different design parameters of pile during earthquake (4∶5)

圖10　不同樁體設(shè)計(jì)參數(shù)下地震期多樁型復(fù)合地基的動(dòng)孔隙水壓力時(shí)程曲線(4：5) Fig.10　Dynamic pore pressure time-history curves of composite foundation with multi-type piles with different design parameters of pile during earthquake (4∶5)

(2) 相同條件下，碎石樁與CFG的配比為4：5時(shí)，多樁型復(fù)合地基的動(dòng)力性能相對(duì)較好。

(3) 樁體直徑和CFG樁的樁體剛度對(duì)多樁型復(fù)合地基動(dòng)力特性的影響較大。

(4) 由于樁體類型較多，本文僅對(duì)碎石樁和CFG樁構(gòu)成的多樁型復(fù)合地基進(jìn)行了分析，今后還應(yīng)加強(qiáng)其他類型樁構(gòu)成的多樁型復(fù)合地基方面的研究。另外，布樁方式、樁間距、施工工藝等因素對(duì)多樁型復(fù)合地基的動(dòng)力性能也會(huì)產(chǎn)生影響，并且目前關(guān)于這方面的工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，建議進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究工作，以便為工程設(shè)計(jì)提供較為準(zhǔn)確的定量參考。

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綜述