重載碼頭堆場CFG樁網復合地基離心模型試驗研究

周春兒，董華鋼，王年香，徐光明，顧行文，任國峰

（1.廣東省航運規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510050；2.南京水利科學研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210029；3.水災害防御全國重點實驗室，江蘇 南京 210098）

軟土地基處理是新建港口碼頭、老舊堆場碼頭改造等工程建設的重點和難點，其對地基變形要求十分嚴格。若地基處理不當，后期在長時間高強度堆載下極易產生不均勻沉降等災害，嚴重影響碼頭和堆場等工程的正常使用。隨著地基處理技術的發展，CFG 樁（水泥粉煤灰碎石樁）網復合地基［1］已成為常見的有效的地基處理方式，并被廣泛應用于各工程領域軟土地基處理中［2-3］。

針對樁網復合地基的研究，眾多學者在室內模型試驗、現場試驗及數值模擬等方面均取得了較多的科研成果。顧行文等［4］通過離心模型試驗對傾斜軟土CFG 樁復合地基上的路堤破壞模式進行了研究；張樹明等［5］通過離心模型試驗研究了加固范圍及邊坡坡率對CFG 樁網復合地基受力變形特性的影響；潘高峰等［6］通過開展全尺寸現場路基填筑試驗，對比分析了天然地基和CFG 樁網復合地基在路基荷載下的側向變形規律；Liu 等［7］通過現場試驗研究了荷載作用下不同深度樁網結構路堤側向變形發展規律；姜彥斌等［8］結合管樁復合地基現場試驗段工程，建立有限元數值模型，對比了幾種管樁復合地基單樁建模方法，并基于軸對稱接觸模型結果對樁網復合地基受力及變形進行了研究；張爽等［9］對高鐵復合路基進行二維及三維數值模擬，分析了CFG樁參數對路基沉降的影響。

土工離心模型試驗技術是一項新型土工物理模型技術，通過施加在模型上的離心慣性力使模型的容重變大，從而使模型應力與原型一致，這樣就可以用模型反映、表示原型。離心模型是各類物理模型中相似性最好的模型，在國內外受到廣泛重視，試驗技術飛速發展，研究內容涉及幾乎所有的巖土工程研究領域，已成為巖土工程技術研究中最主要、最有效、應用最廣泛的研究手段［10］，在港口碼頭工程中也得到廣泛應用［11］，但在重載碼頭堆場CFG 樁網復合地基變形與樁土應力方面，離心模型試驗研究很少。這里利用離心模型試驗技術，研究某碼頭堆場CFG樁網復合地基的變形和樁土應力變化規律，驗證復合地基的加固效果。

1 工程概況

某碼頭散貨16#堆場，位于南柳河入海口左岸，堆場東側距防塵網基礎47 m，西側距防塵網基礎77 m，南側距排水溝6 m，北側距離5#堆取料機軌道梁基礎5 m，堆場為長1 271.4 m，寬54.5 m 的矩形，實際堆場面積為69 291 m2。堆場地基采用真空聯合堆載預壓加固，軌道梁基礎和靠近南柳河側岸坡均采用水泥攪拌樁復合地基加固。近期，堆場沿縱向中部發生往南柳河一側的岸坡推移現象，推移區長約148 m，往南柳河推移0～20 m。堆場產生不同程度的損壞，必須重新進行加固處理，以滿足一次性達到承載350 kPa的使用要求。

地基土層自上而下為：素填土①2，淤泥質黏土②1，粉質黏土③4，中粗砂層③2，黏土層④1以及黏土層④2。表1列出了其主要物理力學性質指標，淤泥質黏土②1含水率大、抗剪強度低，不能滿足堆場的變形和承載力要求，堆場地基采用樁網復合地基，設計方案如圖1所示。堆場地基兩側分別布設2排長16 m、直徑300 mm的樹根樁，三角形布置，間距1.4 m×1.6 m，樁身強度C30，內插直徑133 mm、壁厚5 mm 的無縫鋼管，樁頂采用鋼筋混凝土板塊連成整體。中間布設直徑350 mm 的CFG 樁，長為13、15、18 m，正方形布置。其中：18 m 長樁的中間6排CFG 樁間距為1.65 m，樁身強度C30；其余CFG 樁間距為1.80 m，樁身強度C25。為加強地基排水，CFG樁間布設B型塑料排水板，穿透淤泥質黏土層。樁間土壓實后，鋪設加筋墊層，自下向上為：10 cm厚碎石土，一層編織土工布，兩層單向土工格柵，10 cm 厚碎石，一層土工格室，碎石土，5 cm 厚中粗砂層，15 cm厚六角塊。

圖1 復合地基剖面圖Fig.1 The profile sketch of composite foundation

表1 地基土的物理力學性質指標Tab.1 The physical and mechanical property indicators of foundation soil

2 離心模型試驗方法

2.1 試驗設備與模型布置

試驗在NHRI400g·t 土工離心機上進行。該機最大半徑5.5 m，吊籃平臺的尺寸為1.1 m×1.1 m，最大加速度200g，最大負荷2.0 t，容量400g·t，配有64 路高精度數據采集系統。模型箱的有效尺寸為1.20 m×0.8 m×0.4 m（長×高×寬），其一側為有機玻璃，便于試驗中進行監控。

取標準剖面按平面問題進行試驗，模擬地基、CFG 樁、樹根樁、加筋墊層、防塵網和軌道梁基礎、礦石堆載等，綜合各種因素，取模型比尺n=70，模型布置如圖2所示。

圖2 離心模型試驗布置Fig.2 The layout of centrifuge model tests

2.2 材料模擬技術

試驗土料取自現場，試驗主要研究堆場地基的穩定和變形問題，以地基強度指標作為主要模擬量，而其他諸如含水率、容重等參量都作為次要參量近似地滿足相似律。為模擬成層地基，根據容重及厚度求得各層土所需的濕土重，然后經過浸飽、拌成泥漿，從底層至上層分層靜壓固結，按控制強度施加預壓荷載和作用時間，直至形成整個天然地基土層。至于模型中的中粗砂層和素填土，則控制其密實度，采用分層壓密而成。

塑料排水板采用直徑3 mm 的透水編織玻纖管內灌裝中細砂的微型袋裝砂井來模擬。試驗中，逐根模擬原型中的每一根CFG 樁和樹根樁。樁體受力狀態主要為受壓，其次為受彎，因此，采用直徑5 mm 實心竹棒來模擬，滿足抗壓剛度相似要求。模型樁帽采用鋁合金按幾何相似加工制作。加筋墊層的模擬，土工合成材料按2%應變時的單寬拉伸力相似原則確定模型材料，通過不同材料拉伸試驗，土工布采用土工濾膜模擬，土工格柵和土工格室采用孔徑4 mm塑料網格來模擬。

2.3 測試技術

沉降和水平位移采用激光位移傳感器測量。5個地基表面沉降測點：Sa1位于防塵網基礎；Sa2位于樹根樁上方；Sa3位于長13 m CFG 樁上方；Sa4位于長18 m CFG 樁上方；Sa5位于軌道梁基礎左擋墻墻頂。2個水平位移測點：Db1位于防塵網基礎中心線，Db5位于軌道梁基礎左側擋墻側壁。

樁頂軸力采用應變式微型力傳感器測量。在不同長度CFG 樁頂共布置了4 組軸力測點：Tf1 和Tf2 分別位于長13、15 m 的樁頂；Tf3 和Tf4 分別位于長18 m、間距1.80 和1.65 m 的樁頂；每組布置2 個測點進行平行測試。

樁間土壓力采用應變式微型土壓力盒測量。微型土壓力盒布置在樁頂軸力測點的樁間土中，P1、P2、P3和P4四組土壓力測點對應Tf1、Tf2、Tf3和Tf4四組樁頂軸力測點，每組布置2個測點進行平行測試。

2.4 試驗程序

試驗準備：制作模型復合地基中的結構物。

制作模型：制備地基，插入模型樁，插入排水濾芯條，埋設和安裝傳感器，鋪設加筋墊層。

恢復自重應力：按堆載速率控制離心機加速度上升速率至70g，并運行120 min，期間進行數據采集。

模型試驗：鋪設堆載體，按堆載速率控制離心機加速度上升速率至70g，并運行210 min，相當于模擬了原型22.5 d堆載過程，恒載固結707.5 d，期間進行數據采集。

3 復合地基變形性狀

下文分析時作了如下約定：沉降向下為正；水平位移指向南柳河側為正、指向軌道梁側為負。堆載期為22.5 d完成堆載時，試堆期為開始堆載至45 d時，恒載時間是指完成堆載后的運行時間，2 a責任期指開始堆載到2 a時。

圖3 為復合地基表面沉降過程線，表2 列出了不同時間和位置的變形特征值。從圖3 和表2 可以看出：堆載期，隨著堆載高度的增加，復合地基表面沉降明顯增大，最大平均沉降速率為9.69 mm/d，堆載區及防塵網基礎和軌道梁基礎沉降均在穩定控制標準之內；堆載高度達14 m后，進入恒載運行，復合地基表面沉降仍隨時間增大，但沉降增量隨時間逐漸減小；恒載運行365 d 到2 a 責任期，最大平均沉降速率為0.19 mm/d，沉降速率很小，表明CFG 樁網復合地基沉降變形已趨于穩定。最大沉降滿足2 a 責任期內堆場沉降控制在80 cm以內的使用要求。

圖3 復合地基表面沉降過程線Fig.3 Surface settlement-time curves of composite foundation

表2 復合地基表面變形特征值Tab.2 Key parameters of surface deformation in a composite foundation 單位：mm

圖4 為復合地基表面沉降沿堆載斷面分布圖，可以看出：在堆場范圍內復合地基表面沉降呈中心大、兩邊小的鍋形分布，最大沉降量在堆載體最高處。

圖4 復合地基表面沉降分布Fig.4 Surface settlement distribution of composite foundation

從表2 列出的防塵網基礎和軌道梁基礎不同時間的水平位移可以看出：堆載期，水平位移有所增加；恒載期，水平位移緩慢增加；2 a責任期水平位移變化基本穩定，且數值也不大，方向均指向南柳河側，不會影響設備的正常使用。

4 樁土應力分析

4.1 CFG樁樁頂軸力

圖5 為復合地基CFG 樁樁頂軸力過程線，表3 列出了不同時間和位置CFG 樁樁頂軸力特征值。可以看出：堆載期，樁頂軸力隨堆載高度的增加幾乎線性增大，上部荷載越大，樁頂軸力也越大；恒載期，隨著樁間土和樁端土層沉降的增加，加筋墊層網逐漸發揮調整上部荷載和樁土沉降的作用，樁頂軸力也隨之逐漸調整，上部荷載越大，樁頂軸力減小越顯著。

圖5 復合地基CFG樁樁頂軸力過程線Fig.5 Axial force development on the top of CFG piles in a composite foundation

表3 復合地基CFG樁樁頂軸力特征值Tab.3 Key parameters of the load distribution on the top of CFG piles in a composite foundation

4.2 樁土應力比

圖6為復合地基樁間土壓力過程線，可以看出：堆載期，樁間土壓力隨堆載高度的增加幾乎線性增大，并且達到最大值，上部荷載越大，樁間土壓力也越大；恒載期，隨著樁間土和CFG 樁之間沉降差的逐漸增大，樁間土壓力逐漸減小，且上部荷載越大，減小幅度也越大，之后逐漸趨于穩定。

圖6 復合地基樁間土壓力過程線Fig.6 Earth pressure development between CFG piles in a composite foundation

表4 列出了不同時間和位置樁土應力比特征值。由表4 可以看出：堆載期，樁土應力比為35.1～43.8，樁土荷載分擔比為1.07～1.60；恒載期，由于樁間土和CFG樁的沉降差變大，加上加筋墊層網逐漸發揮調整上部荷載的作用，樁土應力比也逐漸調整，2 a責任期樁土應力比為25.2～30.5，樁土荷載分擔比為0.77～1.11，表明加筋墊層網調整上部荷載的作用比較明顯。

表4 復合地基樁土應力比特征值Tab.4 Characteristic parameters of the pile-soil stress ratio in a composite foundation

5 結 語

根據重載碼頭堆場CFG樁網復合地基變形與樁土應力的離心模型試驗研究，得到如下結論：

1）復合地基堆載期最大平均沉降速率為9.69 mm/d，2 a 責任期最大沉降為573 mm，沉降速率在穩定控制標準之內，沉降量滿足使用要求。

2）防塵網和軌道梁基礎的水平位移與沉降均不大，不會影響設備的正常使用。

3）堆載期，樁頂軸力隨堆載高度的增加線性增大；恒載期，受加筋墊層網調整上部荷載和樁土沉降的作用，樁頂軸力也隨之逐漸調整，然后趨于穩定。

4）堆載期樁土應力比為35.1～43.8，恒載期樁土應力比逐漸調整，2 a責任期為25.2～30.5。

5）結果表明，CFG樁網復合地基在350 kPa荷載作用下穩定安全，滿足使用要求。