長短樁布樁方式對復(fù)合地基沉降變形影響研究

劉彬

摘要：針對蒙華鐵路岳陽段軟土和松軟土地基問題，為了有效控制地基沉降，提出了采用分離式布樁和交叉式布樁的長短樁復(fù)合地基加固方案?；陔x散元顆粒流仿真技術(shù)分析兩種布樁形式、不同樁間距對軟土地基沉降的影響規(guī)律和機(jī)理，提出合理的加固方案并通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證。研究表明：① 分離式布樁和交叉布樁下，復(fù)合地基最大沉降位移/樁體最大沉降位移均與樁間距均呈指數(shù)函數(shù)分布;② 分離式布樁復(fù)合地基最大沉降位移出現(xiàn)在地基面上兩種樁型的銜接處，樁體最大沉降位移出現(xiàn)在兩種樁型銜接處的多向攪拌樁樁頂位置。③ 交叉式布樁復(fù)合地基最大沉降位移出現(xiàn)在地基面上的線路中心線處，樁體最大沉降位移出現(xiàn)在加固地基頂面中線附近的多向攪拌樁樁頂。④相同樁間距條件下，分離式布樁復(fù)合地基沉降和路基面寬度范圍內(nèi)地基的不均勻沉降量明顯小于交叉式布樁復(fù)合地基。

關(guān) 鍵 詞：沉降; 長短樁; 布樁方式; 離散元; 樁間距; 地基沉降

軟土地層工程性狀無法滿足地基變形和穩(wěn)定性要求，且在地震等外部荷載作用下極易發(fā)生大變形、土體液化、失穩(wěn)以及塌陷等災(zāi)害，因此在工程建設(shè)時(shí)期對軟土的加固處理是十分必要的，國內(nèi)外學(xué)者也圍繞軟基加固開展了大量工作[1-2]。

豈連生[3]、王步云等[4]基于現(xiàn)場試驗(yàn)和計(jì)算研究了低等級(jí)混凝土樁和振密砂石樁復(fù)合地基的加固機(jī)理和荷載傳遞規(guī)律，但并未其加固機(jī)理進(jìn)行分析研究。陳強(qiáng)[5]借助FEM模擬分析了3種不同加固形式復(fù)合地基的變形和沉降特性，但并未對其數(shù)學(xué)變化規(guī)律進(jìn)行分析研究。王瑞芳等借助ABAQUS對加網(wǎng)復(fù)合地基的應(yīng)力變形進(jìn)行了分析計(jì)算并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對照分析，驗(yàn)證其可行性[6]。黃斌等針對具體工程對樁-網(wǎng)復(fù)合地基設(shè)計(jì)中的樁間距進(jìn)行了模擬分析和實(shí)測驗(yàn)證[7]。張世堯等[8]、白曉紅等[9]借助室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場載荷試驗(yàn)對復(fù)合地基中的樁長進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得到最優(yōu)置換率。韓煊等[10]、鄭俊杰等[11]研究了石灰樁與深層攪拌樁組合樁的加固機(jī)理，并得出石灰樁對土體擠密作用與復(fù)合墊層的減載作用能夠起到控制變形和提高承載力的結(jié)論。楊軍龍等[12]、鄧超[13]、尚新生等[14]、余錦地等[15]借助數(shù)值方法研究了長短樁樁土作用、荷載傳遞機(jī)理、應(yīng)力分布規(guī)律。

綜上所述，學(xué)者們從有限元數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試、設(shè)計(jì)計(jì)算以及理論分析等方面展開了不同角度的研究，且取得了不少成果。然而針對軟土地基顆粒特性，采用不同樁基加固方式、布樁方式和樁間距等對加固后地基沉降的離散元分析研究和沉降變形數(shù)學(xué)規(guī)律方面的較少。本文結(jié)合蒙華鐵路岳陽段特殊的軟土地層特性，基于長短樁加固軟土地基理論和PFC離散元原理，分析了螺紋樁與水泥攪拌樁布置形式和樁間距對復(fù)合地基、樁體沉降的影響規(guī)律，并提出了設(shè)計(jì)方法，最后通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，希望能為類似軟基處理工程提供一種新的研究思路和方法。

1 工程概況及地質(zhì)條件

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程是目前已建、在建重載煤運(yùn)鐵路中地基條件較為復(fù)雜的一條鐵路干線，其中岳陽段地區(qū)多以松軟土和軟土為主，軟基長約43 km。表層覆蓋第四系沖洪積的軟土和松軟土（以軟塑、可塑的粉質(zhì)黏土為主）地層，一般地段厚度 8～15 m，局部地段達(dá) 20 m 以上，且存在多透鏡體、軟硬互層或夾硬層情況，工后沉降和穩(wěn)定控制困難，詳細(xì)工程地質(zhì)情況及施工等級(jí)如表1所示。

2 長短樁加固軟土地基原理及模型建立

2.1 長短樁復(fù)合地基加固機(jī)理

長短樁復(fù)合加固地基的處理方式是指由長樁、短樁、樁間土、褥墊層和下臥層組成的復(fù)合式地基。長、短樁可以選用相同樁型或者不同樁型，且長樁剛度較大，短樁剛度較小或?yàn)樯⒘ｓw材料樁。一般來講，長樁能夠承受較大荷載，負(fù)責(zé)將上部荷載傳遞下來，往往會(huì)嵌入持力層;短樁能夠提高地基土體的置換率，提高了土體的承載力。

2.2 PFC原理及模型建立

2.2.1 離散元法建模基本原理與假設(shè)

（1） 基本原理。首先將研究對象劃分為相互獨(dú)立的單元，依據(jù)單元間相互作用和牛頓第二定律，進(jìn)行循環(huán)迭代（動(dòng)態(tài)松弛法或靜態(tài)松弛法）計(jì)算，確定每一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)單元的受力及位移，并對單元進(jìn)行位置更新、跟蹤計(jì)算，即可得到整個(gè)研究對象的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（2） 基本假設(shè)。選取時(shí)間步長足夠小，單獨(dú)時(shí)間步長內(nèi)，僅考慮選定單元和與其接觸的單元;在任意時(shí)間步長內(nèi)，速度和加速度恒定;在任意時(shí)刻單元所受到的作用力只取決于選定單元和與其接觸的單元。

2.2.2 參數(shù)選取分析及模型建立

選取長短樁復(fù)合地基加固軟土地層，長樁采用剛形螺紋樁，短樁采用多向水泥攪拌樁;為了更好地指導(dǎo)施工，節(jié)約成本，借助離散元顆粒流PFC2D軟件將長、短樁的單元簡化為簇形的剛性單元，單元之間的接觸為柔性點(diǎn)接觸，允許有一定的重疊，詳細(xì)模型參數(shù)如表2所示。

依據(jù)離散單元顆粒介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程及相互作用規(guī)律得到相應(yīng)的模型。建立了分離式布樁和交叉式布樁兩種布置方式下樁間距為3.5D，4.5D，5.5D，6.5D等4種工況離散元模型（見圖1）。模型參數(shù)如表3所示。

3 布樁方式對復(fù)合地基及樁體沉降影響

3.1 布樁形式對沉降影響

分析圖2～3可得出：① 分離式布樁復(fù)合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移均小于交叉布樁復(fù)合地基;② 隨著樁間距的增大，復(fù)合地基最大沉降位移差異先減小后增大，其中差異最小樁間距為5.5D，樁體最大沉降位移與地基呈相同的變化規(guī)律。

為復(fù)合地基最大沉降位移與樁體最大沉降位移之比隨樁間距變化直方圖。分析可得：① 分離式布樁復(fù)合地基最大沉降位移與樁體最大沉降位移之比隨樁間距增大是先增大后降低，但整體變化幅度較小，當(dāng)樁間距不大于4.5D時(shí)，變化幅度最小;②交叉式布樁形式復(fù)合地基最大沉降位移與樁體最大沉降位移之比隨樁間距增大而逐漸增大，整體變化幅度相對較大。

3.2 布樁形式對地基沉降空間分布規(guī)律影響

根據(jù)兩種布樁形式對復(fù)合地基及樁體沉降影響規(guī)律見圖5～6，進(jìn)一步得出：① 分離式布樁在坡腳以內(nèi)對地基的沉降控制作用明顯，但隨著樁間距增加，地基沉降隨之增大，控制作用減弱;② 交叉布樁地基在坡腳范圍內(nèi)對地基沉降控制作用明顯，同樣隨著樁間距的增加，控制作用減弱;③ 相同的樁間距條件下，分離式布樁地基沉降明顯小于交叉式布樁地基，并且路基面寬度范圍內(nèi)地基的不均勻沉降量顯著小于交叉式布樁地基。

3.3 樁間距對沉降影響

3.3.1 分離式長短樁布置形式

根據(jù)分離式布置的長短樁復(fù)合地基模型計(jì)算結(jié)果，得到復(fù)合地基最大沉降位移、樁體最大沉降位移與樁間距的關(guān)系圖（如圖7～8所示）。由圖可知：①復(fù)合地基的最大沉降位移出現(xiàn)在地基面上的兩種樁型銜接處;② 樁體最大沉降位移出現(xiàn)在兩種樁型銜接處的多向攪拌樁樁頂位置;③隨著樁間距的增大，復(fù)合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移均與樁間距呈指數(shù)函數(shù)分布，且當(dāng)樁間距不大于5.5D時(shí)，樁體最大沉降位移變化量相對較小。

3.3.2 交叉式長短樁布置形式

根據(jù)交叉式布置的長短樁復(fù)合地基模型分析結(jié)果，得到復(fù)合地基最大沉降位移、樁間最大沉降位移與樁間距的關(guān)系圖（如圖9～10所示）。由圖可知：① 復(fù)合地基最大沉降位移出現(xiàn)在地基面上線路中心線處;②樁體最大位移出現(xiàn)在加固地基頂面線路中線附近的多向攪拌樁頂;③ 隨著樁間距的增大，復(fù)合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移均與樁間距呈指數(shù)函數(shù)分布，且當(dāng)樁間距不大于5.5D時(shí)，復(fù)合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移變化量均相對較小。

4 現(xiàn)場測試

由PFC模擬分析結(jié)果可知：相同的樁間距條件下，分離式布樁地基沉降明顯小于交叉式布樁地基，并且路基面寬度范圍內(nèi)地基的不均勻沉降量顯著小于交叉式布樁地基。當(dāng)樁間距不小于5.5D時(shí)，樁體最大沉降位移變化量相對較小。結(jié)合現(xiàn)場施工工藝，該運(yùn)煤專線，選取分離式布樁方式，樁間距為5.5D。本項(xiàng)目中剖面測量斷面共計(jì) 3個(gè)，其里程分別為 DK1408+000、 DK1408+200 與 DK1408+380，設(shè)置3個(gè)沉降板、2個(gè)沉降觀測柱、2個(gè)邊柱、1處單點(diǎn)沉降計(jì)等（見圖11）。

points arrangement 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果匯總得到分離式長短樁加固復(fù)合地基的沉降時(shí)程曲線如圖12所示。分析可知：路堤填筑期間，地基表面沉降增長較快，填土期結(jié)束后，沉降逐漸趨于平緩。路基下方地基表面沉降大于兩側(cè)邊坡下方地基表面，說明長樁區(qū)的地基表面沉降值顯著大于短樁區(qū)：① 對于DK1 408+000斷面，其路基中心下方地基表面沉降穩(wěn)定值為7.2 cm，兩側(cè)邊坡下方地基表面沉降分別為5.0 cm與4.0 cm;② 對于DK1 408+200斷面，上述基下方地基表面沉降穩(wěn)定值為7.5 cm，兩側(cè)邊坡下方地基表面沉降分別為4.0 cm與3.2 cm。試驗(yàn)結(jié)果均比離散元顆粒模擬較小，變化幅度分布為5.8%，9.5%，離散元結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。該現(xiàn)象可解釋為，因?yàn)殚L樁區(qū)上部路堤填筑高度顯著大于短樁區(qū)，造成其承受的上部荷載遠(yuǎn)大于短樁區(qū)，雖路基面下方地基采用較長的剛性螺紋樁進(jìn)行加固，兩側(cè)邊坡下方路基采用較短的柔性攪拌樁進(jìn)行加固，但是荷載效應(yīng)顯著大于加固效應(yīng)。

通過對比兩個(gè)斷面對應(yīng)位置的地表沉降，可近似達(dá)到對比相鄰位置的樁頂沉降與樁間土沉降的目的。無論長樁區(qū)還是短樁區(qū)，樁體與樁周土之間均存在差異沉降，例如路基中間位置對應(yīng)的地表沉降，DK1 408斷面上該值為7.2 cm，DK1 408+200斷面上該值為7.5 cm，樁間土比樁頂多沉降0.3 cm。

5 結(jié) 論

本文針對長短樁布樁方式，對運(yùn)煤專線復(fù)合地基沉降開展離散元仿真模擬研究和現(xiàn)場檢測分析，得出以下結(jié)論。

（1） 不同的布樁方式下，復(fù)合地基最大沉降位移、樁體最大沉降位移隨樁間距分布關(guān)系不變，均為指數(shù)函數(shù);且樁間距不大于5.5D時(shí)，復(fù)合地基最大沉降位移、樁體最大沉降位移隨樁間距變化幅度相對較小。

（2） 不同的布樁形式影響復(fù)合地基最大沉降位移和樁體最大沉降位移及空間分布。分離式布樁最大沉降位移出現(xiàn)在地基面上兩種樁型銜接處，樁的最大沉降位移出現(xiàn)在兩種樁型銜接處的多向攪拌樁樁頂位置。交叉式布樁地基最大沉降位移出現(xiàn)在地基面上線路中心線處，樁體的最大位移出現(xiàn)在加固地基頂面線路中線附近的多向攪拌樁頂。

（3） 相同的樁間距條件下，分離式布樁地基沉降明顯小于交叉式布樁地基，并且路基面寬度范圍內(nèi)地基的不均勻沉降量顯著小于交叉式布樁地基。分離式布樁比交叉式布樁控制沉降效果較好，樁間距建議不大于5.5D。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇建林.公路工程施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 李彰明.軟土地基加固的理論、設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3] 豈連生.低強(qiáng)度混凝土樁與振密砂石樁復(fù)合地基試驗(yàn)與應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，1999（8）：42-44.

[4] 王步云，趙秀芹.砂石樁與低強(qiáng)度混凝土樁組合型復(fù)合地基在軟土地基中的應(yīng)用（一）[J].巖土工程技術(shù)，1997（1）：8-14.

[5] 陳強(qiáng)，黃志義，左人宇，等.組合型復(fù)合地基的特性及其FEM模擬研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001，34（1）：50-54.

[6] 王瑞芳，王克宇.樁承式加網(wǎng)復(fù)合地基樁土共同作用分析[J].人民長江，2015，46（23）：77-82.

[7] 黃斌，周若，李彥杰. 深圳機(jī)場站坪擴(kuò)建工程樁-網(wǎng)復(fù)合地基設(shè)計(jì)[J].人民長江，2012，43（24）：31-34.

[8] 張世堯，陳濤，顧祥林.以沉降控制的摻粉煤灰水泥粉噴樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].結(jié)構(gòu)工程師，2003，45（3）：26-30.

[9] 白曉紅，葛忻聲，解秀娟.兩種樁體材料復(fù)合地基性狀的對比研究[J].巖土力學(xué)，1997，18（3）：75-81.

[10] 韓煊，李寧.復(fù)合地基中群樁相互作用機(jī)理的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，1999，18（2）：42-46.

[11] 鄭俊杰，區(qū)劍華，吳世明，等.多元復(fù)合地基的理論與實(shí)踐[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（2）：208-212.

[12] 楊軍龍，丁璐，雷建功.長短樁復(fù)合地基數(shù)值分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2002（4）：38-40.

[13] 鄧超.長短樁復(fù)合地基承載力與沉降計(jì)算[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[14] 尚新生，邵生俊，謝定義.多元復(fù)合地基的復(fù)臺(tái)模量計(jì)算[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，20（3）：233-236.

[15] 余錦地，吳文峰，朱亞磊.無填料振沖擠密法在粉砂土地基處理中的應(yīng)用：以錢江閘站樞紐工程為例[J].人民長江，2013，44（9）：44-46.

（編輯：鄭 毅）