高置換率碎石樁復合地基的樁土共同工作分析

摘要：以某大直徑振沖碎石樁地基處理工程為例，通過現場靜載荷試驗和數值分析兩種方法，對碎石樁復合地基的樁土共同作用機理以及樁土應力比、樁土荷載分擔比等隨置換率的變化規律進行了研究。結果表明：當置換率m≤7%時，復合地基的樁土應力比在1.5～4.0之間變化，與《建筑地基處理技術規范》JGJ792012中的建議值基本一致，樁土應力比、樁的荷載分擔比及復合地基承載力均會隨置換率的增大而提高；高置換率條件下，復合地基的樁土應力比可達到10左右，樁的荷載分擔比會超過70%。研究所得結論，對碎石樁復合地基的優化設計具有重要指導意義。

關鍵詞：碎石樁復合地基；樁土應力比；置換率；共同工作；數值分析

碎石樁因其具有良好的振密、擠密及排水效果等特點，在處理沿海港口工程軟弱及可液化地基中有著十分廣泛的應用［14］。工程設計中，合理確定碎石樁復合地基的樁土應力比至關重要。《建筑地基處理技術規范》（以下簡稱《規范》）JGJ792012規定：對振沖碎石樁、沉管砂石樁復合地基，當無實測資料時，樁土應力比對于黏性土可取2.0～4.0，對于砂土、粉土可取1.5～3.0。實踐表明，這一規定對低置換率碎石樁復合地基應是合理的；當置換率較大時，此類復合地基的樁土應力比可能會遠大于規范的建議值。本文依托某大直徑碎石樁地基處理工程，采用現場測試與數值模擬兩種手段相結合，研究碎石樁復合地基的樁—土共同作用機理及樁土應力比、荷載分擔比等隨置換率的變化規律，以期為碎石樁復合地基設計理論的進一步完善和工程應用提供參考。

1工程條件與現場測試

1.1地質條件

由地質勘察資料可知，試驗場地為填海造地而成，以砂類土為主，土質松散，承載能力差，可液化土層厚度為12.5m。場地上覆土層可簡化為三層，除地表層為回填細砂外，其余兩層主要由第四系全新統濱海相沉積砂土構成，下臥中等風化的砂巖，各層土物理力學性質指標如表1所示。地下水位平均埋深1.82m。

1.2現場測試

采用大直徑高置換率振沖碎石樁對地基進行處理，以消除場地土的液化。采用正方形布樁，樁間距為2m，樁徑1.1m，樁長為12.5m，置換率為23.7%。為揭示復合地基實際工作性狀，本次試驗共進行了3組單樁復合地基靜載荷試驗，并預埋土壓力盒。采用特征點法測試樁頂、樁間土應力及樁土應力比，鋪設300mm厚碎石墊層（與設計同）。土壓力盒埋設于墊層頂部，自樁邊緣到承壓板邊緣依次埋設，見圖1。將測試數據進行整理，得到具有代表性的復合地基PS曲線與平均樁土應力比，如圖2、圖3所示。

2數值分析模型

為揭示碎石樁復合地基的樁—土共同工作機理，采用FLAC3D軟件，建立了碎石樁復合地基三維數值分析模型，采用三維圓柱體網格和圓柱體外環繞放射網格［4］對復合地基進行離散，如圖4所示。模型中褥墊層厚度為0.30m，含9根碎石樁，樁長12.5m，樁徑為1100mm。

模型邊界設置：樁端砂巖為剛性持力層；樁土之間設有接觸面，模擬樁土之間的摩阻力、端阻力和相對滑移；考慮加載過程應力與變形影響范圍，模型的三維尺寸選取為18m×18m×25m，根據對稱性，選取模型的1/4進行計算；模型底面和四個側面均限制其法向位移，模型頂面為自由面。

加載方式：采用分步加載，每級荷載增量為50kPa，最大一級荷載為800kPa。墊層、碎石樁和土層均服從摩爾庫倫本構模型，模型參數見表2和表3。

3試驗及數值結果分析

3.1樁土應力比n

圖5給出了實測和數值計算得到的樁土應力比隨荷載變化的曲線，兩者基本吻合。由圖5可知，碎石樁復合地基的樁土應力比n并非常數，而是隨著荷載的增加不斷發生變化，其變化范圍在8.5～11.5之間，平均值為10左右，遠大于《規范》JGJ792012中建議的1.5～3.0的經驗值。隨著荷載的增加，n值整體上呈現先增后降的趨勢。在加載的初期，荷載小于100kPa時，n值增長最快，說明樁周軟土很快進入塑性變形階段，應力逐漸向碎石樁樁頂集中，直至樁間土不能提供足夠的圍壓，導致樁體發生過大的側向變形，從而產生樁體的鼓脹破壞，樁土應力比達到最大值，進而引起復合地基全面破壞，樁土應力比隨之下降。

3.2樁土荷載分擔比

樁土荷載分擔比反映了不同荷載等級條件下，碎石樁與樁間土所承擔荷載的彼此消長情況。經對現場復合地基荷載試驗與數值模擬結果的整理發現，碎石樁與樁間土荷載分擔曲線幾乎是平行的，圖6給出了樁土荷載分擔比隨荷載的變化規律。由圖6可知，在整個受荷過程中碎石樁始終分擔了70%以上的荷載。

3.3置換率m對樁土應力的影響

為考慮置換率對碎石樁復合地基樁土應力的影響，本文模擬了在布樁方式與樁間距不變情況下，樁土應力比和碎石樁荷載分擔比隨置換率的變化情況。圖7和圖8分別給出了在不同置換率條件下，樁土應力比和碎石樁荷載分擔比隨荷載的變化曲線。圖9給出了不同置換率下的荷載沉降PS關系曲線。由圖7～圖9可總結出如下規律：

（1）不同置換率下的樁土應力比變化規律基本一致。在加載初期樁土應力比n急劇增大，當復合地基承載力達到比例界限值時，樁土應力比n達到峰值，然后，隨荷載的增大而逐漸減小，最終趨于一個穩定值。

（2）相同荷載水平條件下，樁土應力比和樁的荷載分擔比隨置換率的增大而增大。當置換率m≤7%時，碎石樁復合地基的樁土應力比在1.5～4.0之間變化，這與《規范》JGJ792012中的建議值基本一致。在本文所設條件下，當置換率m≥12.6%時，復合地基的樁土應力比n≥4；當置換率m≥20%時，復合地基的樁土應力比n＞8，且碎石樁的荷載分擔比會超過70%。

（3）當置換率較小時，碎石樁除加速固結作用外，主要是通過振密、擠密樁間土來提高地基承載力。當置換率較大（m≥20%）時，碎石樁復合地基承載力的提高則以置換作用為主。

（4）碎石樁復合地基的承載力隨置換率的增大而逐漸增高。

4結論

采用現場靜載荷試驗，并結合數值分析方法，揭示了碎石樁復合地基的樁—土共同作用機理及樁土應力比、荷載分擔比等隨復合地基面積置換率的變化規律：

（1）碎石樁復合地基的樁土應力比n并非常數，相同荷載水平條件下，樁土應力比和碎石樁的荷載分擔比隨置換率的增大而增大。當置換率m≤7%時，碎石樁復合地基的樁土應力比在1.5～4之間變化，可按《規范》JGJ792012中的建議值選取。當置換率較大時，如仍按現行規范選取n值則會產生很大的誤差。

（2）碎石樁復合地基的承載力隨置換率的增大而逐漸增高。當置換率較小時，碎石樁除加速固結作用外，主要是通過振密、擠密樁間土來提高地基承載力。當置換率較大（m≥20%）時，碎石樁復合地基承載力的提高則以置換作用為主，碎石樁的荷載分擔比將超過70%。

（3）影響碎石樁復合地基樁土應力比、荷載分擔比的因素除置換率外，還有地基土質條件、碎石樁施工工法、褥墊層厚度及荷載水平等。在工程有必要及條件允許的情況下，還是應進行現場荷載試驗，以保證地基處理方案的優化。

參考文獻：

［1］殷睿.沿海地區碎石樁施工技術研究［J］.工程技術研究，2020，5（10）：6768.

［2］李東鋒.振動沉管擠密碎石樁加固軟土地基技術研究［J］.工程技術研究，2019，4（01）：120121.

［3］潘永慶，孫立強，王吉超，等.碎石樁加固液化粉土地基的數值模擬分析［J］.地震工程學報，2014，36（03）：540543+554.

［4］王士杰，何滿潮，朱常志，等.GC與CFG樁組合樁型復合地基承載特性研究［J］.巖土力學，2008，29（10）：26322636.

作者簡介：李陽陽（1991—），男，漢族，河北邯鄲人，碩士研究生，工程師，主要從事水利水電工程施工。