隧道工程中CM復(fù)合地基的研究

王建偉，夏 夏

(新建區(qū)交通運(yùn)輸局，江西 南昌 330100)

0 引 言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的工業(yè)建筑、民用建筑及公共建筑等都得到的大力的建設(shè)，但建筑物建設(shè)的過程中不可避免的會(huì)遇到各種問題，如在隧道工程建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到軟土地基等不良的地質(zhì)情況。因此地基的處理對(duì)土建工程而言至關(guān)重要，復(fù)合地基是較常采用的地基處理方法，所謂的復(fù)合地基[1-2]是指在天然的地基中加入人工設(shè)計(jì)的樁體來共同工作的地基。沙祥林[3]提出CM復(fù)合地基技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是由剛性樁(C樁)、亞剛性樁(M樁)、樁間土與墊層共同組成的復(fù)合地基，CM復(fù)合地基作為一種新型的復(fù)合地基被廣泛的運(yùn)用于眾多工程中。

許多學(xué)者對(duì)CM復(fù)合地基也進(jìn)行了大量研究。其中姚仰平[4]對(duì)在黃土地區(qū)的建筑所使用CM復(fù)合地基進(jìn)行原位實(shí)測(cè)，然后對(duì)實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，指出在筏板與土體之間存在著較大的接觸力，其中CM復(fù)合樁基與樁間土共同承擔(dān)上部荷載，樁間土所承擔(dān)的荷載約達(dá)30%。另外王明恕[5]對(duì)C樁的彈性模量與樁基土的壓縮模量進(jìn)行研究，結(jié)果表明，C樁的混凝土彈性模量比樁基土的壓縮模量高很多。

本文基于研究現(xiàn)狀，從CM復(fù)合地基的理論、應(yīng)力比及作用機(jī)理等出發(fā)，結(jié)合midas有限元軟件對(duì)CM復(fù)合地基在隧道工程的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 CM復(fù)合地基的作用原理分析

在復(fù)合地基中，復(fù)合地基的樁頂、地基土面以及基層分別位于不同的標(biāo)高上，而且其標(biāo)高會(huì)隨著上部荷載的變化而發(fā)生變化。因此對(duì)復(fù)合地基的作用機(jī)理分析時(shí)不可用純力學(xué)的剛度分配理論，對(duì)于復(fù)合地基，因?yàn)樯喜亢奢d的作用，增強(qiáng)體與天然土體的共同作用是復(fù)合地基的前提，因此在復(fù)合地基的基礎(chǔ)地層適當(dāng)?shù)脑黾尤靿|層的厚度，可以起到很好的調(diào)整土層荷載分布作用。

當(dāng)褥墊層的厚度(ΔH)為0 cm時(shí)，樁對(duì)基礎(chǔ)所形成的應(yīng)力處于較大的集中狀態(tài)，此時(shí)的形態(tài)類似與樁基礎(chǔ)，隨著墊層厚度的增加，其β值逐漸較少，說明樁對(duì)基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中逐漸降低，當(dāng)墊層的厚度為20 cm時(shí)，β值接近為1。因此分析可知，當(dāng)墊層厚度過小時(shí)，復(fù)合地基中的樁所受到的力就較大，對(duì)樁不利，容易導(dǎo)致樁對(duì)基礎(chǔ)的沖切破壞；但當(dāng)墊層厚度太大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致樁與土所分擔(dān)的荷載較低，這樣荷載大部分由墊層承受，復(fù)合地基失去了意義。因此對(duì)于復(fù)合地基中墊層的厚度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，大量的工程研究表明，墊層的厚度為10～25 cm時(shí)較為合適，因?yàn)榇藭r(shí)既不會(huì)造成應(yīng)力集中也不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生沖切作用。

在CM復(fù)合地基中，對(duì)樁的長度也有一定的要求。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，當(dāng)樁長超過臨界的長度以后，再盲目的增加樁長對(duì)提高復(fù)合地基的承載力沒有效果。

平面中存在三個(gè)不同的剛度，其中土的剛度約為10 MPa，M樁的剛度約為100～1 000 MPa，C樁的剛度約為1 000～10 000 MPa，因此土和樁的這種呈梯形分布的剛度對(duì)樁與土之間的協(xié)調(diào)作用非常的有利，這樣剛好可以將樁長設(shè)置為不同的有效長度進(jìn)行工作。例如在第三剛度上為天然土，第二剛度為C樁加土，第一剛度為C樁加M樁再加土層，通過這樣的分布，充分的調(diào)節(jié)深層土的承載力，也可降低成本;同時(shí)M樁的樁端效應(yīng)提高了C樁的承載力，使得深層土參加工作，有利于樁土處于三維應(yīng)力狀態(tài)，提高地基強(qiáng)度。

CM復(fù)合地基一般適用于黏性土層、巖溶地質(zhì)、花崗巖球狀風(fēng)化巖、透水系數(shù)大的砂性土層或黏性土與砂性土互層，主要可以應(yīng)用于基坑支護(hù)、滑坡整治、高速公路、市政隧道或者對(duì)沉降有嚴(yán)格要求的高層、超高層建筑等工程中。在設(shè)計(jì)時(shí)C樁可以設(shè)計(jì)為端承摩擦樁，宜選用承載力較高、壓縮性較低的土層作為樁端持力層，M樁可以選取軟塑或者可塑的黏性土層作為樁端持力層。

2 CM復(fù)合地基承載力的計(jì)算

在計(jì)算CM復(fù)合地基承載力時(shí)采用分布疊加法，首先計(jì)算單一樁復(fù)合地基的承載力，選擇C樁或者M(jìn)樁計(jì)算承載力，然后將C樁當(dāng)成是復(fù)合地基中的樁，把M樁和樁間土看成是C樁復(fù)合地基中的樁間土來計(jì)算復(fù)合地基承載力。短樁的承載力計(jì)算公式如公式(1)所示，長樁的承載力計(jì)算公式如公式(2)所示。

(1)

(2)

式中:α、β為樁間土強(qiáng)度提高系數(shù)；A1為每根短樁分擔(dān)的面積，m2；A2為每根長樁分擔(dān)的面積，m2；fak為樁間土的承載能力特征值，kPa；fak1為長短樁復(fù)合地基承載力特征值，kPa；Ra1為長樁單樁承載力特征值，kPa；Ra2為短樁單樁承載力特征值，kPa。

也可以通過計(jì)算各樁體與樁間土按面積加權(quán)的方法來計(jì)算CM復(fù)合地基的承載力，計(jì)算公式如公式(3)所示。

(3)

式中：fspk為復(fù)合地基的承載能力特征值，kPa；m1、m2為長樁及短樁的置換率；fak為土體的承載能力特征值，kPa；β1、β2為土體強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)；Ap1、Ap2為長樁與短樁的截面面積，cm2；Rk1、Rk2為長樁與短樁的單樁承載力特征值。

3 CM復(fù)合地基的有限元模擬

midas是一款為研究巖土工程而開發(fā)的有限元軟件，該軟件具有建模簡便，計(jì)算分析功能強(qiáng)度的特點(diǎn)，能夠滿足大多巖土工程中對(duì)巖土體的破壞分析。經(jīng)過大量的研究表明，該軟件所進(jìn)行的有限元模擬與實(shí)際相近，計(jì)算結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確，在midas軟件中CTS模塊包含了施工階段的應(yīng)力分析及滲透分析等功能，能夠很好的對(duì)巖土及隧道進(jìn)行快速分析計(jì)算，此外還具有滲流-應(yīng)力耦合分析、固結(jié)分析及動(dòng)力分析等功能。

3.1 模擬模型的建立

本次模擬中的土層及相關(guān)參數(shù)參考某工程中的具體情況進(jìn)行設(shè)置，其中相關(guān)的土層情況及材料參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。本文對(duì)CM復(fù)合地基的模擬中，根據(jù)隧道設(shè)計(jì)的要求，將復(fù)合地基的承載力特征值設(shè)置為300 kPa，并且本次模擬中采用M樁直徑為600 mm，一共設(shè)置12根，采用C樁直徑400 mm，一共設(shè)置6根，其中M樁與M樁、M樁與C樁以及C樁與C樁之間的樁間距設(shè)置為1 200 mm，并且考慮到單樁相互影響的距離。

表1 土層及材料參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)樁頂應(yīng)力分析

本次模擬的分析過程，采用分級(jí)加載。一共分為8次加載，每次都等荷加載，對(duì)模型中的樁間土的土頂、M樁的樁頂及C樁的樁頂應(yīng)作曲線分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 加載過程中樁間土頂及樁頂應(yīng)力變化曲線圖

從圖1可以看出，隨著荷載的增加，樁間土頂、M樁樁頂及C樁樁頂?shù)膽?yīng)力均隨荷載的增大而增大，其中C樁樁頂?shù)淖兓厔?shì)最為明確，突然值也最大，可見在CM復(fù)合地基中C樁軸承受的應(yīng)力值最大，而樁間的土所承受的荷載最小。當(dāng)加載至300 kPa時(shí)，樁間土頂?shù)膽?yīng)力約為310 kN，M樁的樁頂應(yīng)力約為640 kN，C樁的樁頂應(yīng)力約為1 120 kN，可見對(duì)于復(fù)合地基，對(duì)C樁的設(shè)計(jì)必須達(dá)到要求。

(2)樁土應(yīng)力比分析

樁土的應(yīng)力比公式如下所示

(4)

對(duì)于CM復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比計(jì)算公式如下所示

(5)

(6)

式中：σp為樁頂?shù)膽?yīng)力,kN；σs為樁間土的平均應(yīng)力,kN；σpr為CM復(fù)合地基中C樁的樁頂平均應(yīng)力,kN；σpf為CM復(fù)合地基中M樁的樁頂平均應(yīng)力,kN；n為樁土應(yīng)力比；nr為C樁的樁間土應(yīng)力比；nf為M樁的樁間土應(yīng)力比。

根據(jù)上述計(jì)算公式，對(duì)模型中的樁土應(yīng)力比進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)M樁與C樁的樁土應(yīng)力比作曲線分析，具體的結(jié)果如圖2所示。

圖2 樁土應(yīng)力比

從圖2中分析可知，隨著荷載的增加，樁土的應(yīng)力比逐漸減小。剛開始時(shí)，C樁與M樁的樁間土應(yīng)力比比較大，說明此時(shí)的樁間土所發(fā)揮的作用很小，當(dāng)荷載加載至75 kN時(shí)，樁間土的應(yīng)力比發(fā)生突變，大于75 kN后，樁間土的應(yīng)力趨于穩(wěn)定，說明當(dāng)荷載大于75 kN后，樁間土開始發(fā)揮作用。

(3)樁土荷載分擔(dān)比分析

土的荷載分擔(dān)比公式如下所示

(7)

(8)

對(duì)于CM復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比計(jì)算公式如下所示

(9)

(10)

式中：δp為樁荷載的分擔(dān)比；δr為CM復(fù)合地基中C樁的荷載分擔(dān)比；δf為CM復(fù)合地基中M樁的分擔(dān)比；δs為樁間土的荷載分擔(dān)比；Pp為樁所承受的荷載,kN；Ppr為復(fù)合地基中C樁所承受的荷載,kN；Ppf為復(fù)合地基中M樁所承受的荷載,kN；Ps樁間土荷載,kN；P為總的荷載值,kN。

根據(jù)上述計(jì)算公式，對(duì)模型中的相應(yīng)荷載分?jǐn)偙冗M(jìn)行計(jì)算，并對(duì)樁間土荷載分擔(dān)比，M樁與C樁的荷載分擔(dān)比作曲線分析。

可以看出，隨著荷載的增加，樁間土的荷載分擔(dān)比逐漸最大，而M樁的荷載分擔(dān)比逐漸的減小，C樁的荷載分擔(dān)比先減小后有增大，但C樁的荷載分擔(dān)比總體上的變化不大，M樁與樁間土的荷載分擔(dān)變化較大，主要是因?yàn)闃堕g土所分到荷載逐漸增大，并且其發(fā)揮的作用越來越大，因此整個(gè)地基承載力得以保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，有效的阻止了地基的沖切破壞。

4 總 結(jié)

本文基于現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀，從CM復(fù)合地基的理論、應(yīng)力比及作用機(jī)理等出發(fā)，結(jié)合midas有限元軟件對(duì)CM復(fù)合地基在隧道工程的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明：CM復(fù)合地基中樁間土對(duì)提高地基的承載力起著很重要的作用，并且在荷載增大的過程中始終保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)；在荷載分擔(dān)比中，C樁的分擔(dān)荷載也相對(duì)穩(wěn)定，M樁的荷載分擔(dān)比逐漸減小，樁間土荷載分擔(dān)比值增大，使地基承載力保持穩(wěn)定。因此在隧道施工時(shí)，當(dāng)碰到不良的地質(zhì)作為地基時(shí)，可以考慮CM復(fù)合地基，并且對(duì)復(fù)合地基墊層的厚度及樁與樁間土應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況考慮。