高速公路碎石樁復(fù)合地基受力變形特性研究

范 劍 蔣敏敏

1中國地震局地球物理勘探中心（450000）2河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院（450001）

1 碎石樁復(fù)合地基模型

碎石樁復(fù)合地基是以碎石樁體作為豎向增強體的復(fù)合地基，被廣泛應(yīng)用于加固松散砂土、粉砂和粉土地基。目前碎石樁復(fù)合地基設(shè)計理論中存在著很多問題，為了對碎石樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持，并指導(dǎo)工程應(yīng)用。本項目針對高速公路粉土地層中的碎石樁復(fù)合地基問題，以數(shù)值模擬為手段，提出合理的碎石樁復(fù)合地基有限元等效建模方法，著重從碎石樁復(fù)合地基固結(jié)特性、抗液化能力和考慮碎石樁側(cè)向擠出時的承載及變形特性等方面開展研究工作，深化碎石樁復(fù)合地基的機理研究。

數(shù)值計算采用平面有限元方法進行計算，計算模型中路面寬度28 m，路堤高度4 m，路堤上方為0.69 m的瀝青混凝土面層，邊坡系數(shù)為1.5，路堤分4層進行填筑施工。地基的計算區(qū)域如下：地基寬度為80 m，路堤下地基深度為30 m。計算邊界為：底部固定邊界，兩側(cè)為側(cè)限邊界，地下水位位于路堤底面。計算模型中模擬了樁長為6 m、8 m、10 m、12 m、14 m，樁徑為0.5 m，間距均為1.5 m的碎石樁復(fù)合地基。計算模型如圖1所示。

圖1 碎石樁復(fù)合地基模型

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

計算了樁長為6～14 m的復(fù)合地基和天然地基等幾種情況。從計算結(jié)果可見，天然地基和復(fù)合地基中的超靜孔壓均在路堤下方的下臥層中有較大的發(fā)展，碎石樁加固范圍內(nèi)超靜孔壓消散較快，樁長對地基中最大孔壓的影響如圖2所示,樁長為0的是天然地基，從計算結(jié)果可見，天然地基中的孔壓最大值為 22 kPa，樁長為 6 m、8 m、10 m、12 m、14 m的碎石樁復(fù)合地基中孔壓最大值分別為7 kPa、6 kPa、5 kPa、4.3 kPa、3.5 kPa。 可見在地基中打設(shè)碎石樁后地基中的孔壓發(fā)生明顯的降低，且樁長越大地基中超靜孔壓值越小。

圖2 樁長對復(fù)合地基中最大孔壓值的影響

計算分析了交通運行15年后地基中的沉降量發(fā)展,表明沉降量主要分布于路堤底面中心的位置。路堤中心位置土層深層沉降情況如圖3所示，在碎石樁體加固范圍內(nèi)（6～14 m內(nèi)）樁長越大深層沉降量越小,而碎石樁下臥土層中的深層沉降量較接近。圖4為路堤底面中心位置的沉降量，天然地基路堤底面中心沉降量約為134 mm,隨著樁長的增大堤底面中心沉降量降低,樁長為14 m時約為125 mm。

水平位移量較大的區(qū)域主要位于路堤坡腳下方一定深度的范圍內(nèi)，樁長對路堤坡腳位置深層水平位移量的影響如圖5所示，可見在坡腳的深層水平位移有兩個極值點，一個位于1 m深度，另一個介于6～14 m（樁底端位置），在小于15 m范圍內(nèi)樁長越長深層水平位移量越小,大于15 m時樁長對深層水平位移量影響較小。

圖3 土層深層沉降

圖4 路堤底面中心位置的沉降量

圖5 路堤坡腳深層水平位移量

3 總結(jié)

通過數(shù)值計算分析了碎石樁復(fù)合地基在靜荷載作用下的受力特性，得到以下結(jié)論：碎石樁具有較好的排水固結(jié)作用，復(fù)合地基中的孔壓比天然地基有較大的降低,且樁長越長復(fù)合地基中的孔壓越低。碎石樁體加固范圍內(nèi)樁長越大深層沉降量越小，而碎石樁下臥土層中的深層沉降量較接近。水平位移量較大的區(qū)域主要位于路堤坡腳下方一定深度的范圍內(nèi)，深層水平位移有兩個極值點,一個位于1 m深度，另一個位于樁底端位置，樁長越長深層水平位移量越小。