碎石樁復合地基在大麗高速公路軟土地基處理中的應用

張秀勇，王海龍，李 杰

(1.南京水利科學研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210029； 2.東營港經濟開發區規劃分局，山東 東營 257091)

碎石樁復合地基是一種典型的散體材料樁復合地基，由基體(軟土)和增強體(碎石樁)兩部分組成，具有非均質且各向異性的特點，這一特點使得碎石樁復合地基有別于均質地基[1-3]。碎石樁對砂土地基的加固作用主要通過施工過程的振密和預震作用以及樁體的擠密作用來提高抗液化能力和承載能力[4-5]。黏土地基中采用碎石樁進行加固，主要體現在減少沉降、提高承載力、增大土坡的抗滑穩定性等方面[6-7]。碎石樁良好的滲透性使樁體起到了排水砂井的作用，縮短了排水路徑，加快了土體固結，減少了工后沉降。若地基中的軟弱土層較厚，碎石樁不能穿透整個軟弱土層時，經過碎石樁加固的復合地基就發揮了墊層作用。在松散土地基或土坡中應用碎石樁，可以提高邊坡的抗滑穩定性，并起到一般抗滑樁的作用，提高土體的抗剪強度，使最危險滑動面移至土體更深層[8]。

我國西南地區的大麗高速公路建設在軟土地基之上，地基以湖相淤泥及含有機質淤泥為主，包含較多的植物殘余，天然密度小，孔隙比和含水率非常大。本文結合大麗高速公路碎石樁處治軟土地基的實際工程情況以及代表性斷面的監測數據，探討碎石樁在軟土地基中的應用，并利用FLAC3D有限差分程序對碎石樁復合地基進行數值模擬，分析了西南地區湖相沉積軟土地在路堤荷載下承載力的變化規律。

1 工程地質概況及軟土特性

1.1 工程地質概況

大麗高速公路為國家高速公路網橫12杭州至瑞麗高速公路的一段，在國家和云南省公路網中具有重要的地位。公路沿線地形以山地和盆地兩大類型為主，由于其所處地區獨特的地形、地貌、地質構造，該地區除受氣候影響雨水充沛外，還具備豐富的黏土礦物質資源，經地質、水文和氣象活動日積月累的作用，形成了目前云南高原地區特有的軟土結構形式。

1.2 天然軟土物理指標

對大麗高速公路沿線土層進行取樣，通過室內土工試驗，得到該天然軟土的基本物理力學指標如見表1所示。

表1 天然軟土基本物理力學指標

2 碎石樁復合地基現場監測數據分析

2.1 現場監測

第12-1合同段高速公路軟土地基采用碎石樁處理方式，碎石樁直徑為0.5 m，梅花形布樁，樁距為1.5 m，該段平均樁長為8.5 m。由于高速公路對工后沉降與穩定性的要求，為控制路基填土速率及間歇時間，確保施工的安全性，同時推算工后沉降量以確定路面鋪筑的時間，對路堤填土高度較大的軟土地基路段和軟土地基深厚易產生較大沉降的路段進行相關監測，監測項目見表2。

表2 軟土地基監測項目

軟土地基監測儀器布置如圖1所示(以第12-1合同段K80+850斷面為例)。軟土地基處理路段沉降管斷面設置間距為50～200 m，布置在距離樁頂200 mm處，在樁體兩側對稱安置4對，樁身布置測點并固定牢固。監測段全長450 m，共設置監測斷面9個，沉降管9個，測斜管1個(深28 m)，孔隙水壓計3個。3個孔隙水壓計埋設位置分別在地面以下1.5 m(埋設土層為淤泥)、5.5 m(埋設土層為淤泥)、9 m(埋設土層為黏土)處。

圖1 軟土地基K80+850斷面布置示意圖 Fig.1 Schematic map of soft soil monitoring section (K80+850)

2.2 現場監測資料分析

路堤填土過程K80+850斷面荷載過程和沉降過程曲線見圖2。沉降和加載過程不一致，表現出一定的滯后性。變形與土中孔隙水壓力的消散相關，最后一級荷載加載完畢，沉降仍持續發展。

圖2 K80+850斷面荷載、沉降和孔隙水壓力過程線Fig.2 Timeline of loading，sinking and excess pore water pressure of monitoring section (K80+850)

孔隙水壓力的消散過程如圖2(c)所示。由圖2(c)可以看出，在填土荷載初期超靜孔隙水壓力較大，并隨荷載的增加而減小，說明初期排水系統的暢通性較差，經過填土荷載作用，形成了有效的排水體系。

圖3是填土荷載超過9 m時高填土條件下的水平位移實測數據，土體的水平位移主要發生深度為5～16 m內，其絕對數值與沿海地區超軟地基土相比要小很多，說明西南多山地區地基總的情況要好于沿海地區，處理難度低，沿海地區傳統成熟的軟土地基處理技術容易移植到西南高山、高海拔地區。

圖3 K80+850斷面側向水平位移曲線Fig.3 Horizontal displacement curve of monitoring section (K80+850)

圖4為施工28 d后12-1合同段K80+373和K80+513斷面重型動力觸探試驗曲線。該合同段碎石樁的設計承載力為不小于400 kPa，實際檢測平均值為415 kPa。通過比較分析，大麗高速公路軟土地基采用一般軟土地基的處理手段可以達到預期效果；實測數據表明，碎石樁適宜于對湖相沉積軟土地基的處理。

圖4 碎石樁體重型動力觸探試驗曲線Fig.4 Curve of heavy dynamic penetration test for gravel piles

3 碎石樁復合地基的數值分析

對巖土工程問題進行數值模擬分析的有效性在有關研究中得到驗證[9-10]。FLAC3D中的單元網格可以隨材料產生相應的變形，從而較準確地模擬巖土材料的屈服、塑性流動、軟化以及大變形特性[9-11]。故選用有限差分軟件FLAC3D對大麗高速公路碎石樁復合地基進行模擬分析。選取第12-1合同段(K80+650～K81+100)對碎石樁加固效果進行模擬分析，圖5為填土過程路基沉降模擬曲線。

圖5 填土過程路基沉降模擬曲線Fig.5 Subgrade settlement curve in filling process from simulation

3.1 模型和參數的選取

依據現場勘測土體參數，采用適用于低摩擦角軟質黏土的Drucker-Prager塑性模型，模型所用參數見表3。其中，Drucker-Prager模型中所用參數qφ、kφ和黏聚力c、內摩擦角φ有以下關系：

(1)

3.2 路堤填土過程復合模量均質法模擬分析

在天然地基模型的基礎上，對路堤范圍下的地基土體采用復合模量均質法對碎石樁復合地基部分重新賦值進行填土過程模擬，填土過程即增加荷載的過程。天然地基監測沉降量和復合地基的特征點沉降量隨路堤填土過程的關系如圖6所示。填土過程兩種地基沉降表現的規律基本一致：路基中心線處土體沉降最大，土體沉降隨距中心線距離的增加而減小，隨土體深度的增加而減小。

圖6 天然地基沉降對比曲線Fig.6 Comparison curve of natural foundation settlement

由圖6可見，因實際施工中填土存在時間間隔，故沉降變化呈曲線；而數值模擬填土過程為連續加載，故沉降變化為直線，二者沉降量基本一致，則數值模擬結果基本合理，可以較有效地反映實際現象及規律。經碎石樁處理后，地基沉降量最大值由1 215 mm降低為517 mm，沉降減少57.4%，碎石樁對該路段地基土體的加固效果十分顯著。

3.3 碎石樁復合地基模型模擬分析

建立單樁復合地基模型和梅花形布置的群樁復合地基模型，以模擬路基中心處復合地基的承載過程。圖7為群樁平面布置及群樁復合地基模型的網格劃分。碎石樁長取該合同段平均樁長8.5 m，碎石樁體穿過5 m厚淤泥土層及3.5 m黏土層，樁底未接觸到巖石等較硬持力層。采用群樁典型單元法建立群樁模型，即以圖7(a)所示1、2、3號樁所構成的典型單元為研究對象，認為只有其周圍距離最近(1倍樁距)的樁體與之產生相互作用，而超過1倍樁距的樁體對其作用忽略不計。按照工程實際情況，梅花形布置為樁距1.5 m，樁徑0.5 m。

圖7 群樁平面布置與復合地基模型網格劃分Fig.7 Schematic map of group pile and mesh division of composite foundation

復合地基模型中，樁體、碎石墊層均采用各向同性彈性模型，彈性模型參數見表4。在碎石樁復合地基模型中，樁體與周圍土體之間均設有接觸面，根據反演計算，接觸面的內摩擦角和黏聚力取其接觸土層內摩擦角和黏聚力的0.8倍。

表3 Drucker-Prager模型土體參數

采用群樁典型單元法對填土過程進行模擬，將沉降量與監測數據進行對比(圖8)，模擬值與監測值相比偏大，基本規律趨勢較一致，且因填土荷載的加載方式為連續加載，故呈現模擬值變化趨勢為直線。可以認為群樁典型單元法對碎石樁復合地基的模擬較有效。圖9為復合地基沉降曲線，取曲線的拐點對應荷載為極限承載力，則單樁和群樁的地基承載力分別為80 kPa和300 kPa。該現象說明群樁復合地基中的群樁效應使得復合地基承載力大大提高。同時，填土荷載達到160 kPa，即填土高度8 m時，群樁典型單元法的沉降量約為680 mm，復合地基在填土荷載下沉降量監測數值約為510 mm，采用復合模量均質法計算所得復合地基沉降量為1 014 mm。模擬結果介于實測值與計算值之間，可認為采用群樁典型單元法建立模型對群樁復合地基進行模擬較合理。

圖8 群樁復合地基沉降對比曲線Fig.8 Comparison curve of settlement for pile group composite foundation

圖9 復合地基沉降曲線Fig.9 Pressure-Settlement curve of composite foundation

4 結 論

a.針對湖相沉積軟土的特性和實際地質條件，采用碎石樁作為豎向排水通道、填筑碎石墊層為水平向排水通道，以排水固結的方式對該處地基進行的處理技術可行、效果明顯。

b.采用復合模量均質法和群樁典型單元法建立的數值模型模擬結果與實測結果基本吻合，可用于湖相沉積軟土碎石樁復合地基工程特性的模擬分析。

c.采用建立的路基模型模擬填土過程的沉降數值與現場監測結果基本吻合，表明碎石樁對天然軟土地基的加固處理效果比較顯著。