濕陷性黃土區復合地基的承載力特性和差異沉降研究

王國梁 崔永偉

（1．鄭州市工程質量監督站鄭州經濟技術開發區分站，河南 鄭州 450000；2．中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

2016年，有關部門在市場內頒布了相關地基設計的規范性指導文件，文件中明確提出，為保證濕陷性黃土區高速鐵路工程項目建成后，項目整體運行的平穩性和舒適性并保障安全性，需要在施工前或項目設計前，做好對地基的承載力特性分析，了解不同路段是否存在差異性沉降[1]。為滿足工程項目的建設需求，解決地基工程施工后的差異沉降問題，該文將以某地區濕陷性黃土區的復合地基工程為例進行研究。

1 濕陷性黃土區復合地基的承載力特性

1.1 建立濕陷性黃土區復合地基幾何模型

為更直觀地掌握濕陷性黃土區內復合地基工程的沉降，下文將采用建立幾何三維模型的方式，進行有限元分析。在該過程中，根據相關工作設計規范，進行復合地基模型幾何尺寸設計，其參數見表1。

表1 復合地基模型幾何尺寸設計參數

參照模型幾何尺寸設計參數，設計地基幾何模型，如圖1所示。

圖1 復合地基幾何模型

1.2 地基物理力學參數

完成設計后，在復合地基現場進行土工試驗，確定地基不同土層的物理力學參數，見表2。

表2 濕陷性黃土區復合地基不同土層的物理力學參數

按照表2所示的內容，進行地基幾何模型對應土層物理力學參數的錄入。

1.3 應力、樁側摩阻力計算

經過研究，對復合地基應力進行綜合分析，在該過程中，設定樁體結構的土荷載分擔比、樁間土荷載對應的分擔比分別為δp、δs，其計算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：P為地基單元承擔總荷載，kN；Pp為長短樁承擔荷載，kN；Ps為樁間土承擔的荷載，kN。

在荷載作用下，可以將濕陷性黃土區復合地基近似看作復合土單元，復合樁上的豎向平均應力為σp，復合樁上的橫向平均應力為σs，σp、σs計算如公式（3）和公式（4）所示。

式中：n為復合樁土應力比，°；m為地基平均面積置換率，%；A為材料的黏聚力，Pa。

完成上述計算后，根據σp、σs，計算復合樁土應力比n，如公式（5）所示。

在實際工程中，樁結構基礎下的位置不同或樁間距離不同會導致復合樁土應力比n的計算結果存在差異[2]。因此，可以在分析地基的承載力的過程中，將應力值作為參照，通過模仿復合路基的填筑過程，選擇不同階段自樁頂部開始，沿樁提取的應力值[3]。根據表2 的相關參數值，分析復合地基應力沿樁身的分布規律，如圖2所示。

圖2 復合地基應力沿樁身分布規律的分析

從上述內容可以看出，當沿樁身長度呈增加趨勢時，對應的樁身應力也增加，當沿樁身長度為2m 時，對應的樁身應力最小[4]。根據大量工程實踐與現有研究成果可知，地基應力及其承載力兩者呈正相關關系[5]。因此，綜合圖2 中的內容可以看出，當沿樁身長度<6m 時，基床表層的樁身應力>基床底層的樁身應力>路堤本體的樁身應力>褥墊層的樁身應力>未填筑層的樁身應力[6]。當沿樁身長度>6m 時，基床表層的樁身應力>基床底層的樁身應力>路堤本體的樁身應力>未填筑層的樁身應力>褥墊層的樁身應力，綜上所述，基床表層的樁身應力最大，由此可見，在濕陷性黃土區復合地基中，排除外界條件的影響，基床表層的承載力最高。

2 濕陷性黃土區復合地基差異沉降

2.1 基于現行規范的復合地基沉降量計算

針對濕陷性黃土區復合地基的差異性沉降問題，結合地基處理方法以及樁體材料合理測定沉降量。在計算過程中，明確總沉降量是由加固區和壓縮區構成[7]。對濕陷性黃土區復合地基來說，其沉降量主要包括褥墊層壓縮變形量、加固層復合土層的壓縮變形量以及加固層下臥土層壓縮變形量。綜上所述，濕陷性黃土區復合地基沉降量計算如公式（6）所示。

式中：s為復合地基的沉降量；s1為加固層中復合土層的壓縮變形量；s2為加固層內下臥層的壓縮變形量。

在計算過程中，由于褥墊層產生的壓縮變形量較小，其發生變形基本在施工過程完成時，因此這一參量可以忽略不計。對復合地基樁身壓縮量的計算如公式（7）所示。

式中：Ssp1為復合地基樁身壓縮量；P0為荷載；L為樁身長度；Ap為樁的橫截面面積；Ep為樁身材料的彈性模量。

關于復合地基的總沉降量，按照地基設計規范，利用公式（8）計算得出具體數值。

式中：S為復合地基總沉降量；mjs為加固區域內沉降誤差的經驗修正系數；S1為加固區域內通過計算得到的沉降值結果；mXs為下臥層沉降誤差的經驗修正系數；S2為下臥層通過計算得到的沉降值結果。

對復合地基沉降的計算來說，不同材料、不同性能的地基計算方法不同，見表3。

表3 不同復合地基沉降計算方法對照表

表3 中散體材料主要包括柱錘沖擴樁和碎石樁等；柔性材料主要包括水泥土攪拌樁；剛性樁主要包括低標號素混凝土和水泥粉煤灰碎石樁。

2.2 復合地基沉降有限元分析

在確定不同復合地基沉降量的計算方法后，結合有限元法對濕陷性黃土區復合地基沉降進行分析。濕陷性黃土區復合地基的差異性沉降主要受到工程地質、施工質量和車輛荷載等作用的綜合影響。對不同濕陷性黃土區復合地基來說，利用有限元法在確定模型工況中的各項參數后，通過變換參數可以發現沉降變化的規律。在進行有限元分析的過程中，按照圖3布置復合地基樁及樁間土觀測點。樁與樁間土俯視圖如圖4所示。

圖3 復合地基樁基樁間土觀測點布置剖面圖

圖4 樁與樁間土俯視圖

在有限元模型中進行褥墊層和路堤填筑模擬，按照圖1 布置各個觀測點，并規定其中奇數點為水泥土擠密樁間土觀測點，偶數點為水泥土擠密樁上觀測點。在基床表層完成填筑施工后，對復合地基上各個點的沉降位移進行分析。水泥泥漿擠密樁與樁間土的總沉降量為“盆狀”，樁間土點的沉降量均小于同一平面內的沉降量，在同一平面內，水泥泥漿擠密樁與樁間土的沉降量均為最大，而在垂直方向上，水泥泥漿擠密樁與樁間土的沉降量可達18mm；樁與樁間的土體在距堤心線邊緣的沉降為1mm～4mm。

在路堤填筑的過程中，路堤下樁與樁間土沉降量的差異較大，并且呈現出“鋸齒”形結構，路堤的中心線上第一個樁與樁間土沉降差最大。當褥墊層厚為1m 時，擠水泥漿樁與樁間土在同一時間發生了整體的沉降，并呈現出加固區的總體受壓，并且沉降很大，在樁頂+0.000m 的平面路堤中心線上，擠水泥漿樁和樁間土的沉降最大，距路堤中心線的邊沿，樁與樁間土的沉降值也較大，在1m 厚的褥墊層下，樁間和樁間的沉降量都很大。綜合分析得出，1m 褥墊層沉降會表現為整體壓縮沉降，沉降量過大將不符合工程的施工質量要求，同時其材料用料較大，成本較高。

3 結語

我國具有地廣、人稀及地質類型多樣等特點，在山西、甘肅、河南等地，分布大量的濕陷性黃土地質，新疆、遼寧、青海、內蒙古等地也有一定的分布，但不同地區的濕陷性黃土地質存在階段性差異。在深入各地的市場調研中發現，隴東南地區的高階土壤中，存在厚度為50mm～150mm 的黃土，此類黃土具有I～V 級的濕陷性特點，由于此類地質較為特殊，因此，在此類地段進行工程施工，會導致建成的項目出現路堤穩定性差的問題，嚴重情況下，甚至會使地基出現壓縮性沉降，這些問題都是目前工程路基設計中亟待解決的問題。針對這方面內容進行研究，明確在特殊地質環境下施工存在的差異性沉降，為進一步提高工程質量，在后續的研究中，將繼續對濕陷性黃土地質進行研究，從更多角度分析地質結構與地基承載力之間的關系，為工程施工提供技術指導。