長短樁復合地基作用機理及敏感性分析

2020-07-28 11:48:34谷成岳

鐵道建筑技術 2020年5期

谷成岳

(中鐵二十一局集團第六工程有限公司北京 101111)

1 引言

目前對于復合地基處理，學者已經進行了大量研究。焦國木等[1]在邢衡高速公路一期工程的基礎上，通過數值模擬，研究了剛柔性長短樁復合地基在高速公路建設當中的樁土應力比和沉降變形的變化規律。李善珍等[2]使用軟件進行有限元分析實際工程案例，具體研究了樁長、樁間距以及樁端下部土體剛度等參數對復合地基處理效果的影響。胡永濤等[3]結合連云港某鐵路軟土地基處理實際，建立有限元模型并進行了現場試驗，對長短剛柔性樁的加固機理和地基處理效果進行了分析研究。雷勝友等[4]結合應力莫爾分析方法，對CFG樁、CSC樁分別繪制莫爾圓，進而推算出長短樁協同作用下樁間土強度的計算公式。謝新宇等[5]通過有限元軟件建立了剛柔性長短樁模型，分析了褥墊層性質、短樁樁體模量和長樁樁長對地基沉降、樁土應力比以及樁體應力的影響規律。吳忠良[6]以渝黔鐵路引入重慶樞紐工程為例，運用該模型對高強預應力管樁、泥漿護壁鉆孔灌注樁、水磨鉆挖孔灌注樁、內夯沉管灌注樁4種橋梁樁基施工方案進行比選，計算結果表明水磨鉆挖孔灌注樁方案最優。李新宇[7]建立了室內縮尺模型，并結合有限元軟件分析驗證了剛性長短樁復合地基的沉降變形規律，同時利用灰色關聯分析方法對影響其沉降變形的因素進行了主要和次要的劃分。卞曉飛[8]通過模型試驗和數值模擬對剛性長短樁復合地基中長短樁相互作用機理進行了分析。馬學寧等[9]通過現場試驗，研究了長短樁復合地基沉降規律，并采用數值模擬分析了樁長變化對復合地基沉降和承載特性的影響。田兆斌[10]結合某試驗段，分析了長短樁復合的地基沉降變形規律，得出樁間距、樁體剛度等因素對高速鐵路長短樁復合地基有較大的影響。陳國升等[11]采用現場試驗和數值模擬相結合的方法，研究了長短樁復合地基承載性能。張麗華等[12]對復合地基在豎向荷載下的沉降情況進行分析，得出了豎向荷載作用下的下臥層應力變化規律。樁土的空間作用會產生群樁效應，因此長短樁復合地基承載性能與單樁承載性能之間也將明顯不同。

綜上所述，復合地基應力傳遞特性以及地基沉降變形均是重要課題內容，揭示復合路基的承載變形規律具有重要的理論和工程實踐意義。荷載作用下會在復合路堤中產生土拱效應，土拱效應的存在會使部分樁的應力和變形加大，因此路堤荷載下復合地基的受力特性、土拱效應的發揮程度以及地基的沉降變形控制等均是需要深入研究的。

2 長短樁復合地基的作用機理

2.1 基本概念

長短樁復合地基主要由樁體受力，而長樁和短樁在復合地基中起的作用又有不同。于是存在以下兩種受力形式:(1)在下臥軟土層較厚的情況下，短樁主要起到加固地基土的作用，而此時長樁主要發揮進一步加強地基土層的承載能力的作用。這種情況下，長樁承受上部荷載作用大于控制地基沉降的作用，對長樁承載能力要求較高，這種作用形式屬于長樁協力型長短樁復合地基。(2)當基底以下存在上、下兩層較理想的持力層時，通過將短樁設置在上層持力層的方式，可有效提高復合地基承載力；同時，長樁樁端也伸入到下層持力層，這時通過設置不同的樁體長度和樁體類別，可以充分發揮地基內部兩個持力層的承載能力，這時，短樁基本滿足承載力的要求，但是針對于濕陷性黃土區，短樁還起到消除濕陷性的作用，而長樁起到主控沉降作用同時可以防止承載力不足的問題，這種形式的長短樁屬于控沉型復合地基。長短樁復合地基受力特性一般通過如下基本參數來進行表述:

(1)面積置換率

長短樁復合地基由樁體和樁間土體二者統一作用形成復合地基。假定復合單元面積為A，樁體橫斷面面積為Ap，長樁橫斷面面積Ap1，短樁橫斷面面積Ap2，復合地基置換率為m，樁體面積置換率分別用m1、m2表示，則它們的關系如式(1)所示:

依據復合地基布置形式(見圖1)，假定短樁間距為l1，長樁間距為l2，樁體橫向間距為a，縱向間距為b，樁徑均為d，其中樁間距相同時樁間距用l表示，則針對不同的布置形式的具體公式有:

圖1 樁體的布置形式

(2)樁土應力比

長短樁復合地基土體單元在上部荷載作用下，長樁和短樁樁頂豎向應力分別為σp1、σp2，其各自與樁間土體豎向應力σs的比值為n1、n2(樁土應力比)，計算公式如式(2)所示:

由于在實際工程中，樁土應力比并不均勻，因此一般采用樁土應力比平均值。

(3)樁土荷載分擔比

樁土應力比繼續延伸可得到樁土荷載分擔比N，設長樁和短樁承擔的上部荷載為Pp1、Pp2，樁間土承擔荷載為Ps，各自的樁土荷載分擔比為N1、N2，則存在式(3)和式(4)兩種計算形式:

2.2 長短樁復合地基的作用機理

長樁和短樁的間隔平面布置，如圖2所示。

圖2 長短樁復合地基平面布置

由圖2可知，三個工作區Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ協同組成長短樁復合地基。在路堤荷載作用下，填筑一開始樁與樁間土共同承載，如前所述，褥墊層使得樁與土協同作用，工作Ⅰ區一般采用擠密樁等柔性樁加固地基；工作Ⅱ區一般采用CFG樁等剛性樁減少地基土體變形，控制沉降，有如下幾個工作階段:

第一階段，樁土壓縮模量的不同，長樁模量遠大于土體模量，于是發生樁頂刺入現象，此時褥墊層發生變形，進入調整階段，則樁與樁間土成為整體共同承擔上部荷載，但樁與樁間土體也開始產生差異沉降，于是樁與樁間土體之間產生力的作用。

隨著路堤填土高度的增加，進入第二發展階段，上部荷載增大到某一值后樁體承擔荷載和樁間土體承擔荷載開始出現明顯差距，于是樁頂刺入現象更加明顯，進而引起樁頂部產生應力集中現象，此時樁土應力比明顯增加，且長樁樁土應力比大于短樁樁土應力比。

隨著荷載進一步加大，開始進入第三階段，在這一階段樁體開始相對于樁間土向下滑移，樁與土體之間產生樁側摩阻力，樁體應力此時也呈現向下逐漸減小的變化規律，荷載最終通過長樁傳遞至樁端下部土體，此時會產生樁端反力，因此工作Ⅲ區建議為較堅硬的持力層土體。

3 長短樁復合地基受力特性的敏感性

利用灰色關聯分析方法針對褥墊層厚度、填土高度和土工格柵層數這三個因素進行敏感性分析。對擬采用的樁網式CFG長樁+CSC短樁型復合地基，長樁和短樁直徑均為0.4 m，CFG樁樁間距2.0 m，其樁長15 m，CSC短樁樁間距為CFG樁樁間距的一半，其樁長為8 m，整個地基寬度為36 m，且CFG長樁和CSC短樁均采用正方形布置；長樁為兩側坡腳之間范圍，短樁為兩側坡腳外3.0 m之間范圍。進行有限元分析時，對于地基土體和路堤填土側面約束x、y方向水平位移即可。根據銀西鐵路甘寧段路基地質資料可以認為模型的地下水位線可設置在樁頂平面下方20 m處。計算模型y方向以及模型底部邊界假定為不透水邊界；對于x方向，由于計算模型寬度為地基寬度的2.5倍，因此也假定其為不透水條件。

將復合地基樁土應力比作為行為特征，取表1中組別1、2、3、4計算結果作為模擬數據案例，其中第一層土工格柵設置距離樁頂平面200 mm，第二層土工格柵設置距樁頂平面600 mm。