硬殼層對(duì)管樁復(fù)合地基樁-土應(yīng)力比的影響

陳永輝 ，韓丹丹 ，孔綱強(qiáng) ，陳 龍 ，陳 庚

（河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

我國軟土分布廣泛，地下工程及河道清淤等工程建設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量淤泥等廢棄土（又稱渣土）.廢棄土外運(yùn)、堆放占用大量土地資源，同時(shí)還存在裝運(yùn)困難、污染環(huán)境等問題.樁基復(fù)合地基是軟土地基加固的有效方法之一，可有效減小沉降、提高路堤穩(wěn)定性[1-2].設(shè)置砂石墊層、減小樁間距和增加樁帽面積等均是保證樁、土共同承擔(dān)荷載的有效手段[3].就地固化技術(shù)是基于就地?cái)嚢柙O(shè)備將固化劑和軟土進(jìn)行原位攪拌，在一定范圍內(nèi)提高土體強(qiáng)度，形成硬殼層的軟土地基處理手段[4-5].含硬殼層的樁基復(fù)合地基將硬殼層和樁視為整體，共同承擔(dān)荷載，起到疏樁效果；硬殼層整體性好，對(duì)樁有水平約束作用，提高了樁體穩(wěn)定性.同時(shí)，硬殼層具有應(yīng)力擴(kuò)散作用，降低了地基土內(nèi)應(yīng)力傳遞，改善了荷載傳遞關(guān)系.與傳統(tǒng)樁基復(fù)合地基相比，就地固化硬殼層可以替代傳統(tǒng)褥墊層，緩解部分地區(qū)砂石料取材難、費(fèi)用高等問題[6].

相關(guān)學(xué)者針對(duì)固化劑種類、養(yǎng)護(hù)齡期等對(duì)含硬殼層的樁基復(fù)合地基加固效果的影響開展了相關(guān)研究，并取得了一些有益成果[6-7].樁-土應(yīng)力比反映了樁基復(fù)合地基中樁、樁間土和褥墊層的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，對(duì)承載力確定和沉降計(jì)算具有重要意義[8-9].樁基復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)，樁-土應(yīng)力比是調(diào)整樁、土荷載分擔(dān)和沉降分析的重要參數(shù)[10-14].目前，有關(guān)學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)樁基復(fù)合地基中的樁-土應(yīng)力比展開了研究，陸清元等[9]在荷載傳遞理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合樁-土-墊層的壓縮變形協(xié)調(diào)方程，得到了樁-土應(yīng)力比的解析表達(dá)式；曹衛(wèi)平等[15-16]將傳統(tǒng)褥墊層中水平加筋體的變形視為二次曲線，樁和樁間土視為彈簧，根據(jù)最小勢(shì)能原理計(jì)算了樁-土應(yīng)力比.而就地固化硬殼層復(fù)合地基與傳統(tǒng)樁基復(fù)合地基不同，硬殼層類似于板體且具有一定強(qiáng)度，含硬殼層的樁基復(fù)合地基中樁體、硬殼層視為整體，需考慮樁間土在荷載傳遞過程中的作用[6,17-20].

因此，本文開展就地固化硬殼層結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁承載性能現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，研究路堤荷載作用下土體沉降、水平位移、孔隙水壓力和樁頂及樁間土應(yīng)力變化規(guī)律；著重探討硬殼層對(duì)樁-土應(yīng)力比的影響規(guī)律；初步研究路堤高度與樁帽凈間距之比（h/s）、樁帽寬度與凈間距之比（b/s）等參數(shù)對(duì)樁-土應(yīng)力比發(fā)展的影響機(jī)制.

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 工程概況

試驗(yàn)依托紹興錢濱線公路工程泥漿池路段，泥漿池長約295 m，寬約303 m，總占地約9.3×104m2.路線范圍內(nèi)泥漿池厚10～12 m，含水率68.8%～91.5%、壓縮性大、側(cè)壁摩阻力100～600 Pa、錐尖阻力10～50 kPa，土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 試驗(yàn)段土層的基本物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical indexes of soil layer

1.2 試驗(yàn)方案

采用就地固化結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行泥漿池地基加固處理.如圖1 所示，布設(shè)土壓力盒、測斜管、沉降板和孔隙水壓力計(jì)等測試元件.考慮到泥漿池兩側(cè)填挖會(huì)對(duì)路堤穩(wěn)定性造成影響，沿坡腳向外15 m 范圍內(nèi)設(shè)置2 排水泥攪拌樁和拋石護(hù)腳.

圖1 就地固化結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁的復(fù)合地基示意（單位：m）Fig.1 Schematic of composite foundation of in-situ solidification combined with prestressed pipe pile （unit: m）

1） 就地固化硬殼層：固化范圍為路堤寬度及從坡腳向外延伸15 m，采用9%的粉劑固化劑（水泥、礦渣微粉及少量穩(wěn)定劑）對(duì)地表下3 m 內(nèi)的土層進(jìn)行處理.

2） 水泥攪拌樁：樁長16 m，樁徑0.7 m ，水泥摻量為20%，水灰比0.4，鄰樁搭接0.1 m.

3） 預(yù)應(yīng)力管樁：樁長16 m，樁徑0.4 m，樁帽采用C30 混凝土，尺寸為1.5 m × 1.5 m × 0.35 m.路堤范圍內(nèi)樁間距為2.50 m，方形布置；坡腳外15.00 m內(nèi)樁間距為3.00 m，梅花形布置（圖1（b））.

2 數(shù)值模擬

利用PLAXIS 有限元分析軟件，對(duì)就地固化結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的承載特性影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析，同時(shí)，對(duì)路堤填筑過程進(jìn)行模擬分析.本文未考慮車輛荷載和其他外加荷載的影響.

2.1 本構(gòu)模型

1） 本構(gòu)模型：樁、土工格柵和硬殼層采用彈性模型，路堤填料和土層采用土體硬化模型.

2） 接觸理論：樁-土界面的接觸在數(shù)值模擬中尤為重要[19-23]，本文通過界面單元模擬樁與土的相互作用，采用Rinter 反映接觸面材料與土的接觸界面強(qiáng)度.

2.2 模型的建立

1） 模型建立：模型的網(wǎng)格和邊界條件如圖2 所示.路基關(guān)于中線對(duì)稱分布，為簡化模型，取半幅路堤進(jìn)行建模.同時(shí)，為減小邊界效應(yīng)，模型橫向長度為60 m，深度39 m.

圖2 有限元網(wǎng)格和邊界條件（單位：m）Fig.2 Finite element mesh and boundary conditions （unit: m）

2） 參數(shù)選取：地基土層存在分層現(xiàn)象，且人工硬殼層與軟土差異較大，因此，通過設(shè)置不同的材料屬性模擬地基的分層特性，材料參數(shù)見表1.

3） 荷載及邊界條件：采用分步施工模擬路堤的逐層填筑，根據(jù)現(xiàn)場的填筑和固結(jié)時(shí)間確定各施工步的間隔時(shí)間.由于模型以路堤中線對(duì)稱建立，需將左側(cè)（xmin）的滲流邊界關(guān)閉，避免發(fā)生水平方向的滲流，將ymin、ymax、zmin滲流邊界關(guān)閉.

2.3 土體變形規(guī)律分析

2.3.1 孔隙水壓力

路堤填筑過程中的孔隙水壓力變化如圖3 所示.由圖3（b）可知：孔隙水壓力消散較慢，是因?yàn)槿斯び矚泳哂袘?yīng)力擴(kuò)散作用，降低了地基土內(nèi)應(yīng)力傳遞，地基固結(jié)速度較慢；孔隙水壓力隨地基深度的增大呈增大趨勢(shì)，主要是因?yàn)闃丁⑼林g的沉降差異使得路堤荷載和樁體上部的摩阻力通過樁傳遞到樁端土層；樁端土層距排水面較遠(yuǎn)，孔隙水壓力較路堤表層難以消散.以上規(guī)律在文獻(xiàn)[7,12]中得到了驗(yàn)證.

圖3 孔隙水壓力的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Numerical simulation results of pore water pressure

2.3.2 豎向沉降

通過有限元分析得到的路堤豎向沉降如圖4 所示.由圖可知：土體表層沉降隨路堤填筑高度的增大而增大，由于硬殼層和預(yù)應(yīng)力管樁對(duì)土體的加固作用，填筑完成后的土體沉降變化減緩并逐漸趨于穩(wěn)定.路堤表面的累計(jì)沉降約為246.3 mm，約80%的土體沉降發(fā)生在填筑期間.

圖4 路堤豎向沉降的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of vertical settlement

地基沉降隨深度的變化規(guī)律曲線如圖5 所示.由圖可知：人工硬殼層具有固化作用，即硬殼層（0～3 m）的土體沉降趨近于0；孔隙水壓力隨深度逐漸增大，有效應(yīng)力則逐漸減小，因此，地基深度3～10 m 的土體沉降變化明顯且隨深度逐漸減小；地基深度10～24 m 的沉降變化較小.由此表明，沉降主要由土體壓縮造成，深層土體的壓縮變形較小，該規(guī)律與文獻(xiàn)[11]結(jié)果類似.

圖5 地基沉降隨深度變化規(guī)律曲線Fig.5 Curves of settlement of layer soil along depth

2.3.3 水平位移

不同時(shí)間下路堤坡腳處的水平位移曲線如圖6所示.由圖可知：不同深度處的樁間土受力不均，土體水平位移隨深度先增大后減小.這是因?yàn)椋郝返痰拇蟛糠趾奢d由樁傳遞到樁端持力層，深層地基的樁間土所受荷載相對(duì)較小；硬殼層（0～3 m）使得路堤荷載均勻分散到硬殼層底部，降低了硬殼層內(nèi)的水平作用力.地基中部存在孔隙水壓力，且硬殼層對(duì)該范圍內(nèi)的樁間土產(chǎn)生了側(cè)向應(yīng)力，壓縮過程中土體產(chǎn)生側(cè)向變形，因此，最大水平位移發(fā)生在地基深度5～6 m.坡腳處的最大水平位移隨路堤填筑呈增大趨勢(shì)且增速變化顯著，主要是因?yàn)榈鼗诼返烫钪奢d和自重作用下被加固，地基水平位移增量近似于沉降增量[24].隨著路堤填筑，地基內(nèi)部產(chǎn)生局部破壞及固結(jié)狀態(tài)的變化使沉降驟增，從而引起水平位移突變.

圖6 水平位移隨深度變化規(guī)律曲線Fig.6 Curves of horizontal displacement along depth

路堤坡腳處地基最大水平位移和中線處地基最大豎向沉降的比值可以反映路堤穩(wěn)定性，當(dāng)比值不超過0.5 時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[14].結(jié)合圖5 和圖6 可知：當(dāng)路堤填筑2.5 m 時(shí)，本文工況下最大水平位移與最大豎向沉降之比為0.1，由此說明硬殼層能夠有效保證路堤的穩(wěn)定性.

2.4 樁、土應(yīng)力分析

樁頂和樁間土應(yīng)力隨路堤填筑的變化曲線如圖7 所示.由圖可知：樁-土應(yīng)力比在23～37 波動(dòng)，填筑初期的樁-土應(yīng)力比為24.5，經(jīng)固結(jié)穩(wěn)定后土拱效應(yīng)進(jìn)一步發(fā)揮，樁-土應(yīng)力比填筑初期提高了5%.樁頂和樁間土應(yīng)力隨時(shí)間均呈不同程度的增長，但路堤填筑和固結(jié)期間的增速存在差異.整體表現(xiàn)為：填筑期間的樁頂和樁間土應(yīng)力增長較快，樁-土應(yīng)力比呈增大趨勢(shì)；固結(jié)期間的樁頂和樁間土應(yīng)力增長相對(duì)平緩，樁-土應(yīng)力比呈現(xiàn)先緩慢減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì).主要原因在于：樁、土存在剛度差異，樁和土的沉降差異隨路堤填筑而增大，加載瞬間的樁頂土壓力驟增，樁-土應(yīng)力比呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；固結(jié)期間的樁和土沉降差異較小，樁、土共同承載荷載，樁-土應(yīng)力比減小；沉降隨時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)樁和土承載的荷載到一定范圍時(shí)，樁頂和樁間土應(yīng)力增速相近，樁-土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定.

圖7 應(yīng)力時(shí)程曲線圖Fig.7 Time-history curves of stress

不同工況（表2）下樁-土應(yīng)力比變化曲線如圖8所示.由圖可知：傳統(tǒng)樁基復(fù)合地基和就地固化結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁的樁-土應(yīng)力比變化規(guī)律一致，但后者樁-土應(yīng)力比較高.這主要是因?yàn)橛矚哟龠M(jìn)硬殼層、樁和土體共同承擔(dān)荷載，有效減小了整體沉降，使樁頂土應(yīng)力得到了提高.

圖8 樁-土應(yīng)力比變化規(guī)律對(duì)比曲線Fig.8 Comparison of variation law of pile-soil stress ratio

由表2 可知：Y 形樁的側(cè)表面積和摩阻力均比圓形樁大，相同混凝土用量下Y 形樁的承載力較大；Y 形樁的樁土沉降差異為1.0～3.5 cm，圓形樁為2.8～5.4 cm，使得樁基復(fù)合地基中Y 形樁的樁-土應(yīng)力比圓形樁小[12].粒徑較小的墊層材料流動(dòng)性較高，可以將由樁頂承擔(dān)的部分荷載向樁間土傳遞，因此，樁-土應(yīng)力比較小，即樁-土應(yīng)力比隨墊層材料粒徑的增大而增大[13].當(dāng)加筋材料的抗拉模量較大時(shí)，提兜作用顯著，樁間土承擔(dān)的路堤荷載向樁轉(zhuǎn)移，樁頂土應(yīng)力增大.因此，樁頂和樁間土應(yīng)力的分布受加筋材料影響[10]，樁-土應(yīng)力比隨加筋材料抗拉模量的增大而增大[12,16].成樁工藝對(duì)樁-土應(yīng)力比也有影響[14,20]，預(yù)應(yīng)力管樁剛度較大，路堤加載時(shí)樁體沉降較小，可承擔(dān)大部分的荷載，因此，樁-土應(yīng)力比水泥粉煤灰碎石（CFG）樁大.

既有研究表明，土拱效應(yīng)的發(fā)揮與墊層材料粒徑、樁型、加筋材料性質(zhì)、成樁工藝等因素有關(guān)，不同條件下樁-土應(yīng)力比表現(xiàn)為不同的變化特性，相應(yīng)的施工參數(shù)見表2.

3 參數(shù)分析

3.1 參數(shù)影響程度分析

參數(shù) μ 取某一定值 β 時(shí)，得到樁-土應(yīng)力比與時(shí)間的關(guān)系曲線，該曲線的樁-土應(yīng)力比最大值記為n，相應(yīng)的樁-土應(yīng)力比最大值集合記為Nm=(nm1,nm2,···,nmn)，得到各參數(shù)不同取值時(shí)的影響程度 λm.

將參數(shù)范圍內(nèi)的 λm按取值個(gè)數(shù)加權(quán)平均，得到影響程度加權(quán)平均值 λ ，如式（1）.參數(shù)影響程度如表3.

表3 參數(shù)影響程度Tab.3 Influence degree of parameters

式中： αm為Nm中的元素個(gè)數(shù).

表3 表明，路堤填筑高度與樁帽凈間距之比（h/s）和樁帽寬度與樁帽凈間距之比（b/s）對(duì)樁-土應(yīng)力比的影響較大，與既有研究結(jié)論一致[15-16，18,25].因此，針對(duì)h/s和b/s對(duì)樁-土應(yīng)力比的影響規(guī)律展開分析.

3.2 h/s 對(duì)樁-土應(yīng)力比的影響規(guī)律分析

樁-土應(yīng)力比隨h/s變化規(guī)律如圖9 所示.由圖可知：樁-土應(yīng)力比隨h/s的增大而增大.這主要是因?yàn)閔/s隨著路堤填筑而增大，逐漸形成完整的土拱；土拱下方的樁間土沉降較大，路堤荷載逐漸向樁傳遞，樁-土應(yīng)力比呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；在h/s相同時(shí)，樁承擔(dān)的荷載隨硬殼層厚度呈增大趨勢(shì)，樁-土應(yīng)力比也隨之增大.

圖9 h/s 與樁-土應(yīng)力比變化規(guī)律Fig.9 Variation of h/s versus pile-soil stress ratio

3.3 b/s 對(duì)樁-土應(yīng)力比的影響規(guī)律分析

樁-土應(yīng)力比與b/s的變化規(guī)律如圖10 所示.由圖可知：樁-土應(yīng)力比隨b/s的增大整體呈增大趨勢(shì).相同作用范圍內(nèi)，樁承擔(dān)的荷載隨樁帽寬度的增大而增大；當(dāng)b/s增大到一定范圍時(shí)，樁承擔(dān)的荷載趨近于極限承載力，路堤荷載開始向樁間土轉(zhuǎn)移，樁-土應(yīng)力比增速逐漸趨于平緩.h/s和b/s相等時(shí)，就地固化結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁的樁-土應(yīng)力比高于傳統(tǒng)樁基復(fù)合地基，主要是因?yàn)橛矚咏档土顺两怠⑻岣吡藰俄斖翍?yīng)力.

圖10 b/s 與樁-土應(yīng)力比變化規(guī)律Fig.10 Variation of b/s versus pile-soil stress ratio

4 結(jié) 論

依托紹興錢濱線公路工程，開展了就地固化結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁處理泥漿池路段的現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，著重探討了硬殼層的存在對(duì)樁-土應(yīng)力比的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1） 孔隙水壓力隨地基深度的增大而增大，硬殼層的存在使得孔隙水壓力消散變慢、降低了地基的固結(jié)速度.

2） 硬殼層具有側(cè)向約束作用，含硬殼層的樁基復(fù)合地基水平位移隨深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；本文試驗(yàn)條件下，最大水平位移發(fā)生在地表以下5～6 m 處，區(qū)別于傳統(tǒng)樁基復(fù)合地基的土體水平位移沿深度逐漸降低的規(guī)律.

3） 硬殼層的存在促進(jìn)硬殼層、樁和土體共同承擔(dān)荷載，含硬殼層的樁基復(fù)合地基樁-土應(yīng)力比在23～37，高于傳統(tǒng)樁基復(fù)合地基；且樁-土應(yīng)力比隨著路堤填筑而增大，并逐漸趨于平穩(wěn).