長短樁布樁方式對復合地基沉降變形影響研究

劉彬

摘要：針對蒙華鐵路岳陽段軟土和松軟土地基問題，為了有效控制地基沉降，提出了采用分離式布樁和交叉式布樁的長短樁復合地基加固方案?；陔x散元顆粒流仿真技術分析兩種布樁形式、不同樁間距對軟土地基沉降的影響規律和機理，提出合理的加固方案并通過現場測試驗證。研究表明：① 分離式布樁和交叉布樁下，復合地基最大沉降位移/樁體最大沉降位移均與樁間距均呈指數函數分布;② 分離式布樁復合地基最大沉降位移出現在地基面上兩種樁型的銜接處，樁體最大沉降位移出現在兩種樁型銜接處的多向攪拌樁樁頂位置。③ 交叉式布樁復合地基最大沉降位移出現在地基面上的線路中心線處，樁體最大沉降位移出現在加固地基頂面中線附近的多向攪拌樁樁頂。④相同樁間距條件下，分離式布樁復合地基沉降和路基面寬度范圍內地基的不均勻沉降量明顯小于交叉式布樁復合地基。

關 鍵 詞：沉降; 長短樁; 布樁方式; 離散元; 樁間距; 地基沉降

軟土地層工程性狀無法滿足地基變形和穩定性要求，且在地震等外部荷載作用下極易發生大變形、土體液化、失穩以及塌陷等災害，因此在工程建設時期對軟土的加固處理是十分必要的，國內外學者也圍繞軟基加固開展了大量工作[1-2]。

豈連生[3]、王步云等[4]基于現場試驗和計算研究了低等級混凝土樁和振密砂石樁復合地基的加固機理和荷載傳遞規律，但并未其加固機理進行分析研究。陳強[5]借助FEM模擬分析了3種不同加固形式復合地基的變形和沉降特性，但并未對其數學變化規律進行分析研究。王瑞芳等借助ABAQUS對加網復合地基的應力變形進行了分析計算并與現場實測結果進行對照分析，驗證其可行性[6]。黃斌等針對具體工程對樁-網復合地基設計中的樁間距進行了模擬分析和實測驗證[7]。張世堯等[8]、白曉紅等[9]借助室內力學試驗和現場載荷試驗對復合地基中的樁長進行了優化設計，并得到最優置換率。韓煊等[10]、鄭俊杰等[11]研究了石灰樁與深層攪拌樁組合樁的加固機理，并得出石灰樁對土體擠密作用與復合墊層的減載作用能夠起到控制變形和提高承載力的結論。楊軍龍等[12]、鄧超[13]、尚新生等[14]、余錦地等[15]借助數值方法研究了長短樁樁土作用、荷載傳遞機理、應力分布規律。

綜上所述，學者們從有限元數值模擬、現場測試、設計計算以及理論分析等方面展開了不同角度的研究，且取得了不少成果。然而針對軟土地基顆粒特性，采用不同樁基加固方式、布樁方式和樁間距等對加固后地基沉降的離散元分析研究和沉降變形數學規律方面的較少。本文結合蒙華鐵路岳陽段特殊的軟土地層特性，基于長短樁加固軟土地基理論和PFC離散元原理，分析了螺紋樁與水泥攪拌樁布置形式和樁間距對復合地基、樁體沉降的影響規律，并提出了設計方法，最后通過現場試驗進行了驗證分析，希望能為類似軟基處理工程提供一種新的研究思路和方法。

1 工程概況及地質條件

新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道工程是目前已建、在建重載煤運鐵路中地基條件較為復雜的一條鐵路干線，其中岳陽段地區多以松軟土和軟土為主，軟基長約43 km。表層覆蓋第四系沖洪積的軟土和松軟土（以軟塑、可塑的粉質黏土為主）地層，一般地段厚度 8～15 m，局部地段達 20 m 以上，且存在多透鏡體、軟硬互層或夾硬層情況，工后沉降和穩定控制困難，詳細工程地質情況及施工等級如表1所示。

2 長短樁加固軟土地基原理及模型建立

2.1 長短樁復合地基加固機理

長短樁復合加固地基的處理方式是指由長樁、短樁、樁間土、褥墊層和下臥層組成的復合式地基。長、短樁可以選用相同樁型或者不同樁型，且長樁剛度較大，短樁剛度較小或為散粒體材料樁。一般來講，長樁能夠承受較大荷載，負責將上部荷載傳遞下來，往往會嵌入持力層;短樁能夠提高地基土體的置換率，提高了土體的承載力。

2.2 PFC原理及模型建立

2.2.1 離散元法建?；驹砼c假設

（1） 基本原理。首先將研究對象劃分為相互獨立的單元，依據單元間相互作用和牛頓第二定律，進行循環迭代（動態松弛法或靜態松弛法）計算，確定每一個時間步長內單元的受力及位移，并對單元進行位置更新、跟蹤計算，即可得到整個研究對象的宏觀運動規律。

（2） 基本假設。選取時間步長足夠小，單獨時間步長內，僅考慮選定單元和與其接觸的單元;在任意時間步長內，速度和加速度恒定;在任意時刻單元所受到的作用力只取決于選定單元和與其接觸的單元。

2.2.2 參數選取分析及模型建立

選取長短樁復合地基加固軟土地層，長樁采用剛形螺紋樁，短樁采用多向水泥攪拌樁;為了更好地指導施工，節約成本，借助離散元顆粒流PFC2D軟件將長、短樁的單元簡化為簇形的剛性單元，單元之間的接觸為柔性點接觸，允許有一定的重疊，詳細模型參數如表2所示。

依據離散單元顆粒介質運動過程及相互作用規律得到相應的模型。建立了分離式布樁和交叉式布樁兩種布置方式下樁間距為3.5D，4.5D，5.5D，6.5D等4種工況離散元模型（見圖1）。模型參數如表3所示。

3 布樁方式對復合地基及樁體沉降影響

3.1 布樁形式對沉降影響

分析圖2～3可得出：① 分離式布樁復合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移均小于交叉布樁復合地基;② 隨著樁間距的增大，復合地基最大沉降位移差異先減小后增大，其中差異最小樁間距為5.5D，樁體最大沉降位移與地基呈相同的變化規律。

為復合地基最大沉降位移與樁體最大沉降位移之比隨樁間距變化直方圖。分析可得：① 分離式布樁復合地基最大沉降位移與樁體最大沉降位移之比隨樁間距增大是先增大后降低，但整體變化幅度較小，當樁間距不大于4.5D時，變化幅度最小;②交叉式布樁形式復合地基最大沉降位移與樁體最大沉降位移之比隨樁間距增大而逐漸增大，整體變化幅度相對較大。

3.2 布樁形式對地基沉降空間分布規律影響

根據兩種布樁形式對復合地基及樁體沉降影響規律見圖5～6，進一步得出：① 分離式布樁在坡腳以內對地基的沉降控制作用明顯，但隨著樁間距增加，地基沉降隨之增大，控制作用減弱;② 交叉布樁地基在坡腳范圍內對地基沉降控制作用明顯，同樣隨著樁間距的增加，控制作用減弱;③ 相同的樁間距條件下，分離式布樁地基沉降明顯小于交叉式布樁地基，并且路基面寬度范圍內地基的不均勻沉降量顯著小于交叉式布樁地基。

3.3 樁間距對沉降影響

3.3.1 分離式長短樁布置形式

根據分離式布置的長短樁復合地基模型計算結果，得到復合地基最大沉降位移、樁體最大沉降位移與樁間距的關系圖（如圖7～8所示）。由圖可知：①復合地基的最大沉降位移出現在地基面上的兩種樁型銜接處;② 樁體最大沉降位移出現在兩種樁型銜接處的多向攪拌樁樁頂位置;③隨著樁間距的增大，復合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移均與樁間距呈指數函數分布，且當樁間距不大于5.5D時，樁體最大沉降位移變化量相對較小。

3.3.2 交叉式長短樁布置形式

根據交叉式布置的長短樁復合地基模型分析結果，得到復合地基最大沉降位移、樁間最大沉降位移與樁間距的關系圖（如圖9～10所示）。由圖可知：① 復合地基最大沉降位移出現在地基面上線路中心線處;②樁體最大位移出現在加固地基頂面線路中線附近的多向攪拌樁頂;③ 隨著樁間距的增大，復合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移均與樁間距呈指數函數分布，且當樁間距不大于5.5D時，復合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移變化量均相對較小。

4 現場測試

由PFC模擬分析結果可知：相同的樁間距條件下，分離式布樁地基沉降明顯小于交叉式布樁地基，并且路基面寬度范圍內地基的不均勻沉降量顯著小于交叉式布樁地基。當樁間距不小于5.5D時，樁體最大沉降位移變化量相對較小。結合現場施工工藝，該運煤專線，選取分離式布樁方式，樁間距為5.5D。本項目中剖面測量斷面共計 3個，其里程分別為 DK1408+000、 DK1408+200 與 DK1408+380，設置3個沉降板、2個沉降觀測柱、2個邊柱、1處單點沉降計等（見圖11）。

points arrangement 根據現場實測結果匯總得到分離式長短樁加固復合地基的沉降時程曲線如圖12所示。分析可知：路堤填筑期間，地基表面沉降增長較快，填土期結束后，沉降逐漸趨于平緩。路基下方地基表面沉降大于兩側邊坡下方地基表面，說明長樁區的地基表面沉降值顯著大于短樁區：① 對于DK1 408+000斷面，其路基中心下方地基表面沉降穩定值為7.2 cm，兩側邊坡下方地基表面沉降分別為5.0 cm與4.0 cm;② 對于DK1 408+200斷面，上述基下方地基表面沉降穩定值為7.5 cm，兩側邊坡下方地基表面沉降分別為4.0 cm與3.2 cm。試驗結果均比離散元顆粒模擬較小，變化幅度分布為5.8%，9.5%，離散元結果可以作為設計依據。該現象可解釋為，因為長樁區上部路堤填筑高度顯著大于短樁區，造成其承受的上部荷載遠大于短樁區，雖路基面下方地基采用較長的剛性螺紋樁進行加固，兩側邊坡下方路基采用較短的柔性攪拌樁進行加固，但是荷載效應顯著大于加固效應。

通過對比兩個斷面對應位置的地表沉降，可近似達到對比相鄰位置的樁頂沉降與樁間土沉降的目的。無論長樁區還是短樁區，樁體與樁周土之間均存在差異沉降，例如路基中間位置對應的地表沉降，DK1 408斷面上該值為7.2 cm，DK1 408+200斷面上該值為7.5 cm，樁間土比樁頂多沉降0.3 cm。

5 結 論

本文針對長短樁布樁方式，對運煤專線復合地基沉降開展離散元仿真模擬研究和現場檢測分析，得出以下結論。

（1） 不同的布樁方式下，復合地基最大沉降位移、樁體最大沉降位移隨樁間距分布關系不變，均為指數函數;且樁間距不大于5.5D時，復合地基最大沉降位移、樁體最大沉降位移隨樁間距變化幅度相對較小。

（2） 不同的布樁形式影響復合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移及空間分布。分離式布樁最大沉降位移出現在地基面上兩種樁型銜接處，樁的最大沉降位移出現在兩種樁型銜接處的多向攪拌樁樁頂位置。交叉式布樁地基最大沉降位移出現在地基面上線路中心線處，樁體的最大位移出現在加固地基頂面線路中線附近的多向攪拌樁頂。

（3） 相同的樁間距條件下，分離式布樁地基沉降明顯小于交叉式布樁地基，并且路基面寬度范圍內地基的不均勻沉降量顯著小于交叉式布樁地基。分離式布樁比交叉式布樁控制沉降效果較好，樁間距建議不大于5.5D。

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（編輯：鄭 毅）