濕陷性黃土地區復合地基沉降量分析研究

王斌 韋正鵬

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

黃土作為一種特殊性土，其特性主要表現在結構性、欠壓密性以及濕陷性。其中，濕陷性是黃土的核心特征，具體表現在，土體在受到水的浸入后，由于上覆土層的自重應力作用，或者在自重應力和附加應力的共同作用下，土體結構會迅速破壞并產生明顯的附加下沉[1]。甘肅省濕陷性黃土主要分布在隴西及隴東地區。該地區濕陷性黃土具有分布廣，濕陷性黃土層厚度通常大于10m，地基濕陷等級多為Ⅲ、Ⅳ級，濕陷性敏感程度大，對工程建設的危害程度較大[2]。

甘肅省境內G6京藏高速公路蘭海段位于濕陷性黃土地區，路基沉陷最為嚴重，養護單位對沉陷路段連年進行維修處治，在通車運營期間，有多處工點累計沉降超過50cm，甚至處治后有繼續沉降趨勢，成為甘肅公路養護工程中的頑疾。在2012年至2014年相繼通車的雷西高速、西長鳳高速、營雙高速均有不同程度的沉陷病害，嚴重影響道路行車安全性，同時也造成一定程度的安全隱患。

1 復合地基變形計算分析方法

目前國內外對復合地基變形計算的主要方法有解析法、規范法、數值分析法等。

解析法[3]大多以Mindlin解為基礎的Geddes積分作為復合地基中樁體荷載在土中所產生的附加應力計算公式，以此利用分層總和法等對復合地基進行沉降計算。

規范法主要依據現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007）相關規定[4]，根據各地區沉降觀測資料確定經驗系數，計算復合地基沉降結果。

數值分析法是目前復合地基變形計算的常用方法，其主要依據有限元法和有限差分法等原理，按照實際工況建立相對應的復合地基模型。模型中結合邊界條件、樁土本構模型以及施加荷載等要素，較為直觀地計算復合地基的應力場及位移場。

2 復合地基模型沉降量分析

G6京藏高速公路蘭海段于2002年通車運營以來，多年來受降雨等多方面原因，造成該段高速公路路基沉降較為嚴重，為了保障公路暢通，2017年，養護部門對水毀造成的病害進行修復完善，對新舊路基拼接處的不穩定沉降及濕陷性黃土路段的不均勻沉降采用干拌水泥碎石樁、高壓旋噴樁等方法進行處治。

本文以蘭海段復合地基處理工程為依托，通過數值分析的方法計算復合地基在車輛荷載與復合地基自重作用下的沉降量情況，結合實際工程的沉降觀測數據，驗證數值分析的合理性。

2.1 計算模型建立

在樁基設計施工中，群樁一般采用等邊三角形布置或正方形布置，兩者均為軸對稱形式，該類布樁形式的特點是受力呈軸對稱體系。因此，在建模分析中，可建立1/4模型對構筑物進行計算分析[5]。

結合蘭海段復合地基設計方案，本文建立模型選取的主要尺寸參數為：成樁直徑60cm，樁間距150cm，樁體按照正方形形式布置，需加固區土層深度12m（假定模型12m深度以下土層為穩定土層）。模型尺寸參數為：長6m，寬6m，深18m。

圖1 1/4模型示意圖

為探索樁基在深入穩定土層不同深度情況下的地基處理效果，模型按照五種工況建立，分別為：樁基深入穩定土層0m、0.5m、1m、1.5m以及2m。具體模型如下圖所示：

圖2 深入穩定土層不同深度工況下的數值模型

2.2 模型材料參數

復合地基數值分析在選擇計算模型時一般遵循如下假設：同種材料為均勻、各向同性體，地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性模型[6]。樁體與加載板之間、樁體與樁周土之間均設置耦合彈簧接觸，以此來模擬兩者之間的相對移動。

在FLAC3D[7]摩爾-庫侖模型中，需要的參數包括：體積模量K（bulk）、剪切模量G（shear）、粘聚力（cohesion）、內摩擦角（friction）以及密度（density）。體積模量K、剪切模量G和彈性模量E及泊松比ν之間又存在如下關系：

表1 需加固區土體參數

2.3 確定施加荷載

與建筑方面復合地基處理不同，公路復合地基主要承受車輛荷載與復合地基自重，且車輛荷載具有瞬時性，同時其荷載大小基本為定值（可視為單個輪胎對樁基施加荷載）。因此，在數值模擬中，應結合道路實際情況，規范計算施加于樁基頂面的荷載。

根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50）規定，路面設計應采用軸重為100KN的單軸-雙輪組軸載作為設計軸載。單個輪胎的軸重為25KN，樁基直徑D=60cm，由此計算出單個輪胎對樁基頂面的接地壓強為88.42kPa。因此，在模擬分析中，對樁基頂面施加豎直向下88.42kPa的壓應力進行計算分析。

2.4 復合地基模型沉降分析計算

計算分析過程中，監測1#、2#、3#、4#樁以及樁間土相應節點的各向位移（著重考慮豎向位移）。觀察監測點位移在應力持續作用情況下的變化規律，如圖3所示。

圖3 樁深入穩定土0m、2m工況下4#樁的豎向位移變化

從圖3可以看出，4#樁樁體在分別深入穩定土層0m和2m工況下，樁體均會產生不同程度的沉降，其中在深入穩定土層0m時，樁體最終沉降1.81cm，在深入穩定土層2m時，樁體最終沉降1.36cm。

整個沉降過程可以分為兩個時間段，在前1/3時段為沉降幅度最大的時間段，在后2/3時段，沉降幅度急劇下降，位移逐漸趨于平穩狀態。

從圖4中可以看出，1#樁樁體在分別深入穩定土層0m、0.5m、1m、1.5m以及2m工況下，樁體達到穩定平衡條件時的最終沉降量分別為1.81cm、1.71cm、1.58cm、1.51cm以及1.40cm。隨著樁體深入穩定土層深度逐漸的增加，樁在達到應力平衡狀態時的最終沉降量也明顯降低。因此在地基承載能力要求較高的路段施工時，要確保樁體深入穩定土層的深度達到一定的要求。

復合地基承載力的計算方法有多種，其中一種是將樁和樁間土分開考慮，然后將各自的承載力按照一定的原則組合疊加得到復合地基的承載力。本次分析中，為探究樁間土在應力持續作用下的應變情況，計算過程中監測了3#樁與4#樁直線段落上樁間土的應變情況，監測點分別為點B、C、D、E、F、G以及H（如圖5所示）。

計算結果顯示，相應監測點的豎向位移值分別為：-1.3722cm、-1.3501cm、-1.3416cm、-1.3355cm、-1.3342cm、-1.3370cm以及-1.3557cm（樁深入穩定土2m工況下），相應工況下3#樁與4#樁的豎向位移分別為-1.375cm與-1.358cm（如下圖所示）。監測點中最大沉降量與最小沉降量之差為0.041cm，由此可以看出，在應力持續作用下，復合地基的沉降量基本一致。可避免在車輛荷載作用下路基產生的不均勻沉降現象，地基處理效果較為理想。

圖4 1#樁在不同工況下的豎向沉降量

圖5 樁間土監測點布置圖

圖6 樁深入穩定土2m工況下樁間土豎向位移變化情況

2.5 蘭海段復合地基沉降觀測分析

在蘭海段復合地基施工過程中，為確保施工質量，路基部分采用瑞雷面波的方法進行施工控制。具體觀測方案為：在控制位置的每條車道的中間位置設定沉降觀測點，每隔15天觀測一次，計算總沉降量。

圖7 瑞雷面波現場采集圖

選取其中五處路基處理觀測點數據，由監測數據可以看出，復合地基的最終監測的沉降量大致在15mm左右，與計算模型分析結果大體一致。由此可以說明，計算模型的建立與參數的選擇相對合理。

3 結語

本章結合FLAC3D原理，在設計軸載作用下，對樁基深入穩定土層不同深度工況下的復合地基沉降量變化進行分析計算，主要得到以下結論。

1）整個沉降過程可以分為兩個時間段，在前1/3時段為沉降幅度最大的時間段，在后2/3時段，沉降幅度急劇下降，位移逐漸趨于平穩狀態。說明在復合地基服役前期，隨著車輛荷載與復合地基自重的雙重作用，樁體與樁周土之間的擠密程度進一步改善，有效提高了路基的承載能力。

圖8 各工點沉降觀測分析

2）樁體在分別深入穩定土層0m、0.5m、1m、1.5m以及2m工況下，樁體達到穩定平衡條件時的最終沉降量分別為1.81cm、1.71cm、1.58cm、1.51cm以及1.40cm。隨著樁體深入穩定土層深度逐漸的增加，樁在達到應力平衡狀態時的最終沉降量也明顯降低。

3）監測樁體與樁間土在設計軸載作用下的沉降量，結果顯示監測點中最大沉降量與最小沉降量之差為0.041cm，由此可以看出，在軸載持續作用下，復合地基的沉降量基本一致。成樁直徑60cm，樁間距150cm的布樁設計較為合理。

4）結合蘭海段路基處理實際工況，由實際監測數據可以看出，復合地基的最終監測的沉降量大致在15mm左右，與計算模型分析結果大體一致。