路堤下CFG樁-筏復(fù)合地基樁土應(yīng)力分析及地基反力模型探討

劉常虹，劉德煊，侯文韜

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 前 言

樁-筏復(fù)合地基借鑒了房建工程中CFG樁復(fù)合地基通過砂石墊層調(diào)節(jié)地基中樁土荷載分配的思路，并使其發(fā)展成為高速鐵路路基工程中控制工后沉降的一種手段。路基工程中樁-筏復(fù)合地基主要承擔(dān)路基的柔性荷載，區(qū)別于房屋建筑中與上部結(jié)構(gòu)有相互作用的剛性基礎(chǔ)，但由于在路堤填土下設(shè)置剛度遠(yuǎn)大于以路堤填土的鋼筋混凝土板作為筏板的剛度，使其區(qū)別于一般的路堤填土等柔性荷載。樁土應(yīng)力比反映了復(fù)合地基的工作性狀，目前，國內(nèi)對剛性基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比、荷載傳遞規(guī)律做了較多研究，取得了豐富的研究成果。其中，對于諸如路堤等柔性基礎(chǔ)下CFG樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比問題，近年來頗受學(xué)術(shù)界重視，但對路堤下增設(shè)混凝土板的CFG樁復(fù)合地基的研究工作卻較少?，F(xiàn)有實(shí)測結(jié)果表明，樁土應(yīng)力比值在20～120間，離散性較大，規(guī)律性較差。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)路堤下CFG樁-筏復(fù)合地基樁土應(yīng)力比現(xiàn)場試驗(yàn)研究是十分必要的。

本文在某路堤試驗(yàn)段的基礎(chǔ)上，對路堤填筑過程中監(jiān)測到的樁土應(yīng)力比曲線進(jìn)行分析，研究了樁-筏復(fù)合地基筏板下的受力與變形特性，得出了樁土應(yīng)力比變化規(guī)律，并對筏板下地基反力模型進(jìn)行了探討，對路堤荷載下CFG樁-筏復(fù)合地基的基理研究提供思路。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)概況

1.1 工程概況及地質(zhì)情況

為滿足工后沉降要求，某路堤試驗(yàn)段采用“CFG樁+碎石墊層+筏板”聯(lián)合“CFG樁+碎石墊層+土工格柵”的地基處理方案。CFG樁采用正方形布置(筏板正下方與筏板外側(cè)樁間距不同)，樁徑0.5 m，樁長14 m，樁端位于可壓縮層；筏板為C30混凝土，厚度50 cm；碎石墊層厚度50 cm。路堤填筑結(jié)束后進(jìn)行堆載預(yù)壓。

試驗(yàn)段地形平坦，多辟為水田、魚塘。表層為粉質(zhì)黏土，褐灰色，軟塑～硬塑，厚0～9.8 m；其下為淤泥質(zhì)黏土，灰色，軟塑，厚0～11.6 m。試驗(yàn)段面土層性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)元件及其埋設(shè)

試驗(yàn)段采用鋼弦式土壓力盒測試樁頂和樁間土應(yīng)力，采用2 MPa和0.6 MPa兩種量程，并且在埋設(shè)前進(jìn)行了標(biāo)定。土壓力盒埋設(shè)于筏板下碎石墊層底部樁頂形心處和兩樁間形心處(見圖1)。樁頂采用大量程土壓力盒，樁間土采用小量程土壓力盒。

表1 試驗(yàn)段面土層性質(zhì)

圖1 試驗(yàn)段土壓力盒現(xiàn)場埋設(shè)示意

1.3 路基填筑曲線

試驗(yàn)段在CFG樁養(yǎng)護(hù)達(dá)到齡期要求后，2008年12月23日開始鋪設(shè)碎石墊層、澆筑筏板。筏板養(yǎng)護(hù)完成后于2009年3月10日開始逐層填筑路基土，2009年5月11日開始超載預(yù)壓，并于2009年12月28日卸去超載土方。試驗(yàn)段路基填筑時間曲線如圖2所示，其中，時間節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4分別表示填筑改良土、填筑完成、超載預(yù)壓、卸去超載土方。

圖2 路基填筑時間曲線

2 測試結(jié)果與分析

2.1 樁土應(yīng)力比

2.1.1 樁土應(yīng)力比-荷載-時間曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，筏板下方各處樁土應(yīng)力比的變化與路堤填筑的變化密切相關(guān)，筏板下各處樁土應(yīng)力比-荷載-時間曲線如圖3所示。根據(jù)路堤的填筑情況，樁土應(yīng)力比的發(fā)展歷程可分為四個階段。

(1)在墊層鋪設(shè)和筏板澆筑階段，路堤荷載小于20 kPa，樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力都不大，應(yīng)力增長相當(dāng)，樁土應(yīng)力較小。

(2)路基填筑開始后，筏板下各處樁土應(yīng)力比隨著荷載的增加而增大。這是由于地基土的變形模量小于CFG樁，土的沉降將大于樁頂沉降，導(dǎo)致樁土出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的變形，且樁頂出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，樁土應(yīng)力比增大。

(3)超載預(yù)壓后，路堤荷載穩(wěn)定，樁土應(yīng)力比繼續(xù)增大，至超載預(yù)壓后期趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)轭A(yù)壓土為一次性填筑，預(yù)壓土荷載初期主要由樁間土承擔(dān)，之后樁土間產(chǎn)生差異沉降，樁頂刺入量增大，樁土應(yīng)力重分配，荷載逐漸由樁間土向樁頂轉(zhuǎn)移，樁土應(yīng)力比逐漸增大；后期沉降趨于穩(wěn)定時，樁土應(yīng)力比也趨于穩(wěn)定。

(4)卸載后，樁土應(yīng)力比迅速減小，但很快趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樾遁d后路堤荷載減小，以致樁頂應(yīng)力迅速減小，而由于樁間土應(yīng)力變化較小，樁土應(yīng)力比也迅速減小。卸載后試驗(yàn)段沉降基本穩(wěn)定，因此樁土應(yīng)力比也快速趨于穩(wěn)定，波動較小。

圖3 筏板下各處樁土應(yīng)力比-荷載-時間曲線

由圖3可知，樁土應(yīng)力比沿路基橫向呈現(xiàn)明顯的空間規(guī)律。恒載后期試驗(yàn)段平均樁土應(yīng)力比為32.6；最大樁土應(yīng)力比發(fā)生在筏板邊緣，約為57.7；中間樁處為13.8，約為邊緣處的24%；中樁處為26.0，約為邊緣處的45%。

2.1.2 樁土應(yīng)力比-沉降-時間曲線

試驗(yàn)段筏板下平均樁土應(yīng)力比與沉降的對比關(guān)系曲線如圖4所示。此處沉降為實(shí)測的樁間土沉降，由于樁頂沉降遠(yuǎn)小于樁間土沉降，故樁間土沉降一定程度上代表樁土差異沉降。由圖4可知，筏板下樁土應(yīng)力比與沉降有很好的對應(yīng)關(guān)系，樁土應(yīng)力比隨沉降的增大而增加。路堤填筑期間，沉降曲線較陡，此階段樁側(cè)摩阻力迅速增大，樁土應(yīng)力比也迅速增加。超載預(yù)壓初期，沉降繼續(xù)發(fā)展，樁土沉降差繼續(xù)增大，樁土應(yīng)力比也繼續(xù)增大；后期，沉降趨于穩(wěn)定后，樁土應(yīng)力比也趨于穩(wěn)定。卸載后，沉降有微小反彈，樁土應(yīng)力比筏板下樁土應(yīng)力重分配，樁土應(yīng)力比減小幅度較大。這是因?yàn)楹奢d減小后，筏板下樁頂應(yīng)力減少幅度大于樁間土應(yīng)力減少幅度。卸載一段時間后，沉降趨于穩(wěn)定，樁土應(yīng)力比也趨于穩(wěn)定。

2.2 荷載分擔(dān)比

假定筏板下樁頂應(yīng)力和地基土應(yīng)力都是均勻分布，且每根CFG樁的影響范圍(2.4 m×2.4 m)相同，則可得筏板下樁土荷載分擔(dān)百分比。樁土的荷載分擔(dān)比用樁土應(yīng)力比表示為：

(1)

(2)

式中，δp、δs為樁、土荷載分擔(dān)比；m為復(fù)合地基置換率；n為筏板下平均樁土應(yīng)力比。試驗(yàn)段樁土土荷載分擔(dān)比隨著路基填筑的變化曲線如圖5所示。

圖4 筏板下平均樁土應(yīng)力比與樁間土沉降對比曲線 圖5 筏板下樁土荷載分擔(dān)比-荷載-時間曲線

由圖5可知，隨著荷載的增加，筏板下方CFG樁承擔(dān)荷載比例呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。加載初期(筏板澆筑)上部荷載較小，CFG樁高承載力特性未顯現(xiàn)出來，荷載主要由樁間土承擔(dān)。隨著路堤的填筑，由于樁的剛度遠(yuǎn)大于樁間土剛度，樁承擔(dān)的荷載迅速增加。填土間歇期，受樁土沉降差的影響，樁、土承擔(dān)的荷載稍有調(diào)整。荷載穩(wěn)定初期，樁承擔(dān)的荷載比例繼續(xù)增大；后期樁體荷載分擔(dān)比達(dá)到51.3%。卸載后，樁、土壓力均有所減少，但樁頂應(yīng)力的減小幅度遠(yuǎn)大于樁間土；穩(wěn)定后樁體荷載分擔(dān)比降低至39.8%，說明上部荷載越大，筏板下樁體承擔(dān)的荷載就越大。

2.3 路基橫斷面地基反力分布

試驗(yàn)段路基橫斷面地基反力分布如圖6所示。由圖6可知，土壓力沿路基橫斷面呈鋸齒狀分布，樁頂應(yīng)力明顯大于樁間土應(yīng)力。2008年12月23日，筏板澆筑結(jié)束后，筏板下各處樁頂應(yīng)力大小相當(dāng)。路基開始填筑后，隨著荷載的增長，樁頂應(yīng)力與樁間土壓力均呈增長趨勢，但筏板下邊樁T1-5處應(yīng)力增長最快。恒載后期，樁土應(yīng)力穩(wěn)定后，邊樁T1-5樁頂應(yīng)力為1 650 kPa，是中間樁T1-9的1.37倍，是中間樁T1-7的2.42倍。這表明筏板下樁的承載能力發(fā)揮效果與樁所在位置關(guān)系密切，路基荷載下增設(shè)混凝土板后相當(dāng)于剛性基礎(chǔ)，而均布荷載的情況下，剛性基礎(chǔ)下邊樁應(yīng)力最大。

圖6 試驗(yàn)段路基橫斷面基地反力分布

3 筏板下地基反力模型

試驗(yàn)段超載預(yù)壓后，樁頂平面處路堤荷載為124 kPa，而樁土應(yīng)力穩(wěn)定后根據(jù)實(shí)測的樁頂土壓力與樁間土壓力反算得到的路堤荷載為89 kPa，為實(shí)際荷載的71%；卸載后，樁頂平面處路堤荷載為64 kPa，樁土應(yīng)力穩(wěn)定后反算得到的路堤荷載為56 kPa，為實(shí)際荷載的87%。

由于樁-筏復(fù)合地基在樁頂平面處將路堤荷載分配給樁和樁間土之后，樁間土將在這部分荷載作用下產(chǎn)生壓縮變形。但由于同一水平面上樁的沉降變形小于樁間土沉降，樁間土的壓縮變形又受到樁的制約，其沉降曲線呈現(xiàn)漏斗形(見圖7)，并在樁間土中產(chǎn)生了土拱作用，土拱拱腳支撐由樁側(cè)摩阻力提供。這說明樁間土在樁頂平面上的應(yīng)力并非均勻分布，實(shí)測的兩樁間形心處應(yīng)力不能完全代表樁間土應(yīng)力。樁頂平面處樁間土應(yīng)力實(shí)際由兩部分組成，一部分是由樁間土自身承擔(dān)的荷載引起的樁間土應(yīng)力，這部分應(yīng)力基本均勻分布；另一部分是由樁側(cè)摩阻力引起的樁間土附加應(yīng)力，這部分應(yīng)力隨著與樁距離的增大而衰減，其最大值位于樁側(cè)壁，數(shù)值上等于樁側(cè)摩阻力，最小值位于兩樁間形心處——漏斗形沉降曲線底部，沉降曲線橫向梯度為零，可近似認(rèn)為此處摩阻力引起的樁間土附加應(yīng)力為零。結(jié)合實(shí)測結(jié)果可獲得試驗(yàn)段筏板下地基反力模型，如圖7所示。在圖7中，σp為筏板下樁頂應(yīng)力；σs為筏板下兩樁間形心處的土應(yīng)力；τ為樁側(cè)摩阻力；d為CFG樁直徑；S為樁間距。

圖7 CFG樁-筏復(fù)合地基筏板下地基反力模型

由以上分析可知，試驗(yàn)段路堤荷載為124 kPa時，由樁側(cè)摩阻力引起的樁間土附加應(yīng)力承擔(dān)29%；路堤荷載為64 kPa時，承擔(dān)13%，說明上部荷載越大，這部分應(yīng)力所承擔(dān)的荷載比例就越大。這是因?yàn)樯喜亢奢d越大，樁側(cè)摩阻力越大，其對樁間土影響的范圍就越大。樁側(cè)摩阻力為該處樁與土間的摩擦力，其表達(dá)式τ為：

τ=KσStanφ′+c′

(3)

式中，φ′和c′分別為樁與土間的摩擦角和黏聚力；K為樁間土作用于樁側(cè)的土壓力系數(shù)，由于樁間土接近于側(cè)限狀態(tài)，K可按靜止土壓力系數(shù)計算，即K=K0=1-sinφ，其中φ為樁間土的內(nèi)摩擦角。

所以，由樁側(cè)摩阻力引起的樁間土附加應(yīng)力在兩樁間的分布形態(tài)受上部荷載、樁與土間的摩擦角和黏聚力等因素影響，具體分布曲線有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究，深入剖析了樁-筏復(fù)合地基樁頂、樁間土的應(yīng)力，以及樁土應(yīng)力比隨荷載、固結(jié)時間及沉降的變化規(guī)律，并分析了樁、土應(yīng)力空間的分布規(guī)律，探討了筏板下基地反力模型，得到以下結(jié)論。

(1)樁-筏復(fù)合地基中，隨著荷載和時間的增長，樁土應(yīng)力比輕微波動并總體呈增大趨勢。恒載期初期，樁土沉降差隨時間繼續(xù)增長，荷載進(jìn)一步向樁頂轉(zhuǎn)移，樁土應(yīng)力比繼續(xù)增大；當(dāng)恒載期后期趨于穩(wěn)定后，筏板下樁土應(yīng)力比為13.8～57.7，平均樁土應(yīng)力比為32.6。

(2)路基填筑初期，上部荷載主要由樁間土承擔(dān)，隨著荷載和時間的增長，樁頂荷載分擔(dān)比逐漸增大。恒載期后期，樁頂荷載分擔(dān)比達(dá)到51.3%，卸載后樁體荷載分擔(dān)比降低至39.8%。

(3)筏板下樁的承載能力發(fā)揮效果與樁所在位置關(guān)系密切，筏板下邊樁樁頂應(yīng)力最大，路堤荷載下CFG樁復(fù)合地基反力與剛性基礎(chǔ)下地基反力類似。

(4)樁間土應(yīng)力在樁頂平面上非均勻分布，實(shí)測的兩樁間形心處應(yīng)力不能完全代表樁間土應(yīng)力。樁間土應(yīng)力由兩部分組成，一部分是由樁間土自身承擔(dān)的荷載引起的樁間土應(yīng)力，這部分應(yīng)力基本上均勻分布；另一部分是由樁側(cè)摩阻力引起的樁間土附加應(yīng)力，這部分應(yīng)力隨著與樁距離的增大而衰減。

(5)上部荷載越大，樁側(cè)摩阻力引起的樁間土附加應(yīng)力所承擔(dān)的荷載比例就越大。試驗(yàn)段路堤荷載為124 kPa時，由樁側(cè)摩阻力引起的樁間土附加應(yīng)力承擔(dān)29%；路堤荷載為64 kPa時，承擔(dān)13%。