深中通道DCM復(fù)合地基承載特性及變形規(guī)律

陳智軍，寇曉強(qiáng)，岳長喜，朱楠

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

水下深層水泥攪拌樁（Deep Cement Mixing，簡(jiǎn)稱DCM）自20世紀(jì)引入國內(nèi)已有40多年的歷史了，是一種對(duì)軟黏土等復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行地基加固處理的方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于跨海通道、防波堤等大型海工建筑地基處理[1-5]。劉亞平[6]系統(tǒng)地討論了DCM配合比設(shè)計(jì)，海上施工地基隆起原因、處理方法以及硬質(zhì)地基施工方法，研究成果對(duì)海上DCM施工應(yīng)用提供了參考。劉慧芳等[7]研究了DCM樁的設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明驗(yàn)算樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)與日本規(guī)范相比，采用中國規(guī)范安全系數(shù)更高，在施工期用中粗砂替換表面浮泥可有效提高DCM質(zhì)量。宋二詳?shù)萚8]采用Plaxis對(duì)DCM復(fù)合地基受力變形性能進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明減小樁土剛度比可有效降低運(yùn)營期內(nèi)不均勻沉降。但目前針對(duì)DCM復(fù)合地基承載特性的研究還是不完善，有必要開展相關(guān)研究。深中通道是我國首次大規(guī)模應(yīng)用海上深層水泥攪拌樁作為沉管隧道地基處理工法的超級(jí)工程。該工程深層水泥攪拌樁處理體積超過70萬m3，規(guī)模宏大。處理范圍既包括西島斜坡段采砂坑內(nèi)的深厚軟弱地基，也包括沉管中間段的軟弱粉質(zhì)黏土層。本文依托深中通道工程采用原位試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法開展DCM復(fù)合地基承載特性及變形規(guī)律研究。

1 DCM復(fù)合地基承載特性研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依托深中通道項(xiàng)目選取水下隧道E3管節(jié)地基段開展原位水下載荷試驗(yàn)，地基處理采用水泥土攪拌樁采用單樁式布置形式，單樁直徑1.3 m，搭接0.3 m，四樁一簇直徑2.3 m，單樁沿縱向間距3 m，沉管和回填防護(hù)下根據(jù)上部荷載大小樁的橫向間距分為3 m、4 m和5 m三種，沉管基礎(chǔ)斷面圖見圖1。試驗(yàn)區(qū)DCM樁水泥摻量為320 kg/m3，60 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1 600 kPa。

圖1 沉管基礎(chǔ)斷面圖Fig.1 Section diagram of immersed tube foundation

本次試驗(yàn)共打設(shè)98根DCM樁，樁端進(jìn)入全風(fēng)化巖頂，具體的布置方式如圖2所示。其中編號(hào)10、11、18和19四根樁作為A1組，進(jìn)行4 m×3 m樁間距布置載荷試驗(yàn)，目標(biāo)荷載為158.3 kPa；編號(hào)14、15、22和23四根樁為A2組，進(jìn)行3 m×3 m樁間距布置載荷試驗(yàn)，目標(biāo)荷載為211.1 kPa。加載方式采用預(yù)制荷載塊水下堆載形式，預(yù)制荷載塊4塊，通過水下精準(zhǔn)沉放荷載塊，使之對(duì)接疊放至指定位置，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)加載的目的，荷載共分為4級(jí)。

圖2 試驗(yàn)區(qū)平面圖Fig.2 Plan of test area

試驗(yàn)系統(tǒng)包括預(yù)制荷載塊、承壓板、基準(zhǔn)板、基準(zhǔn)板吊架、測(cè)量系統(tǒng)以及荷載塊與承壓板之間的吊具等，見圖3。鋪設(shè)碎石墊層前埋設(shè)土壓力盒編號(hào)T1—T14，埋設(shè)位置見圖2。加載時(shí)，承壓板直接覆蓋于碎石墊層上，承壓板采用6 m×8 m（A1組試驗(yàn)）、6 m×6 m兩種形式（A2組試驗(yàn)），可使荷載均勻作用于4根不同間距的DCM樁基及其影響范圍的復(fù)合地基上，承載板上的測(cè)點(diǎn)及兩側(cè)10 m間距的基準(zhǔn)板上的基準(zhǔn)點(diǎn)連接形成靜力水準(zhǔn)測(cè)控系統(tǒng)，從而達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量荷載施加過程中地基沉降的目的，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（D1—D8）位于承壓板上，見圖2。A1和A2試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖3 水下加載示意圖Fig.3 Diagram of underwater loading

表1 試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)Table 1 Summary of test technical parameters

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

A1組和A2組試驗(yàn)樁頂和樁間土土壓力時(shí)程曲線見圖4。T1、T4、T7、T8、T10和T11位置樁頂應(yīng)力隨著DCM復(fù)合地基上部荷載增大而逐漸增大；同級(jí)載荷作用下，樁頂應(yīng)力增長量明顯大于樁間土應(yīng)力增長量；但因DCM樁頂部位的超欠挖現(xiàn)象，導(dǎo)致各樁頂標(biāo)高不同，各樁頂?shù)膽?yīng)力集中及分布則各不相同。

圖4 樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.4 Time-history curves of pile top stress and soil stress between piles

經(jīng)與試驗(yàn)區(qū)潛水探摸結(jié)果比較，以上測(cè)點(diǎn)土壓力盒位于樁的欠挖部位，測(cè)得的應(yīng)力只代表欠挖樁頭的應(yīng)力，無法反映樁身整體應(yīng)力；土中的土壓力盒測(cè)得應(yīng)力可反映樁間土的受力情況；故樁土承擔(dān)荷載通過施加荷載和樁間土應(yīng)力平均值計(jì)算。

A1組施加第1級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為1 705.2 kN，土承擔(dān)荷載平均值為554.8 kN；施加第2級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為3 296.8 kN，土承擔(dān)荷載平均值為743.2 kN；施加第3級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為4 883.0 kN，土承擔(dān)荷載平均值為937.0 kN；施加第4級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為6 459.4 kN，土承擔(dān)荷載平均值為1 140.6 kN。A2組試驗(yàn)施加第1級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為1 875.3 kN，土承擔(dān)荷載為384.7 kN；施加第2級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為3 494.4 kN，土承擔(dān)荷載為545.6 kN；施加第3級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為5 142.2 kN，土承擔(dān)荷載為677.8 kN；施加第4級(jí)荷載時(shí)，樁承擔(dān)荷載平均值為6 783.4 kN，土承擔(dān)荷載平均值為816.6 kN。卸載時(shí)，樁土應(yīng)力略大于同級(jí)荷載作用下的樁土應(yīng)力。

1.3 承載特性分析

DCM復(fù)合地基樁土應(yīng)力比見圖5，荷載分擔(dān)比見圖6，其中Pp為樁承擔(dān)的荷載；Ps為土承擔(dān)的荷載；P為總荷載。樁土應(yīng)力比隨荷載的增大逐漸增大，且增長速率逐漸減小。施加到第4級(jí)荷載時(shí)，A1組試驗(yàn)樁土應(yīng)力比為9.01∶1，A2組試驗(yàn)樁土應(yīng)力比為7.84∶1。在各級(jí)外荷載作用下，2個(gè)試驗(yàn)區(qū)的樁間土應(yīng)力增加不多，樁體的應(yīng)力增長很快，主要是樁體承擔(dān)絕大部分荷載。

圖5 樁土應(yīng)力比曲線Fig.5 Pile-soil stress ratio curve

圖6 樁土荷載分擔(dān)比曲線Fig.6 Pile-soil load sharing ratio curve

隨著荷載的逐漸增大，樁的荷載分擔(dān)比逐漸增大，土的荷載分擔(dān)比逐漸減小，但兩者的速率變化逐漸減小，并有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。表明此時(shí)DCM樁已經(jīng)接近最大承載能力，繼續(xù)增大外荷載并不能顯著增加樁體承擔(dān)的荷載。此外，A1試驗(yàn)區(qū)和A2試驗(yàn)區(qū)受到的荷載相同，樁體截面積相同，而A1試驗(yàn)區(qū)的復(fù)合地基置換率小于A2試驗(yàn)區(qū)，A1試驗(yàn)區(qū)樁的荷載承擔(dān)比小于A2試驗(yàn)區(qū)，A1試驗(yàn)區(qū)樁間土的荷載承擔(dān)比大于A2試驗(yàn)區(qū)。因此，在滿足承載要求的前提下，適當(dāng)降低復(fù)合地基置換率，可增加樁間土承載能力，充分發(fā)揮復(fù)合地基承載能力，從而降低工程成本。

2 變形規(guī)律研究

2.1 數(shù)模模型的建立

為進(jìn)一步分析DCM復(fù)合地基變形規(guī)律，通過ABAQUS有限元軟件建立A1和A2試驗(yàn)?zāi)Ｐ停妶D7。土層參數(shù)見表2，樁體參數(shù)見表3。

圖7 試驗(yàn)區(qū)數(shù)值模型Fig.7 Numerical model of test area

表2 土體模型分層及參數(shù)Table 2 Layering and parameters of soil model

表3 DCM樁的材料參數(shù)Table 3 Material parameters of DCM piles

兩種模型加載情況同原位試驗(yàn)加載，通過數(shù)值模型計(jì)算的p-s曲線與實(shí)測(cè)p-s曲線基本吻合，表明模型參數(shù)選擇是合理的。數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)ps曲線如圖8所示。

圖8 p-s曲線Fig.8 p-s curve

2.2 沉降分析

由沉降時(shí)程曲線（圖9）可以發(fā)現(xiàn)，載荷試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，隨著荷載施加沉降迅速發(fā)生并快速收斂，每級(jí)荷載施加后主要沉降基本在1～2 h內(nèi)發(fā)生和完成，其中，第1級(jí)荷載施加時(shí)的瞬時(shí)沉降明顯，加載瞬時(shí)沉降量較大，從總沉降量上對(duì)比，該級(jí)荷載下的瞬時(shí)沉降已超過總沉降量的50%，其中A1組第1級(jí)荷載瞬時(shí)沉降量為38.8 mm，A2組第1級(jí)荷載瞬時(shí)沉降量為57.0 mm。分析位移云圖可知，A1試驗(yàn)區(qū)豎向位移分布近似成橢圓形，橢圓形中心沉降最大，并且復(fù)合地基短邊方向沉降較大，A2試驗(yàn)區(qū)的復(fù)合地基沉降分布形狀為規(guī)則的圓形，表現(xiàn)出規(guī)則的臉盆形沉降，圓心處沉降最大。分析塑性應(yīng)變剖面圖可知，復(fù)合地基加載區(qū)周圍邊界出現(xiàn)塑性連通區(qū)，表明此時(shí)復(fù)合地基加載區(qū)周邊土體已經(jīng)屈服破壞。加載區(qū)周邊的塑性連通區(qū)深度約2～3 m，塑性區(qū)從碎石墊層開始深入至樁渣層和淤泥層中。

圖9 沉降曲線Fig.9 Settlement curve

3 結(jié)語

本文依托深中通道工程，通過現(xiàn)場(chǎng)原位載荷試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，分析了DCM復(fù)合地基承載特性和變形規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

1）樁頂應(yīng)力在加載過程中出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中，且在各級(jí)維持荷載下未出現(xiàn)明顯消散，說明樁身承載性能良好，DCM樁體可有效發(fā)揮復(fù)合地基承載能力。

2）在復(fù)合地基加固方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)在滿足安全前提下，適當(dāng)減小復(fù)合地基的置換率，利用樁間土的承載能力，充分發(fā)揮復(fù)合地基承載能力，從而降低工程成本。

3）復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比有隨著荷載增大而逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，合理的復(fù)合地基樁土應(yīng)力比建議在6～9范圍內(nèi)。

4）DCM復(fù)合地基沉降呈迅速發(fā)生快速收斂特性，現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)中在首級(jí)荷載下出現(xiàn)的50%瞬時(shí)沉降，是由碎石墊層和樁渣層的強(qiáng)度較低、很快發(fā)生屈服破壞產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致的。為避免DCM復(fù)合地基不均勻沉降，建議樁頂開挖完成后對(duì)樁渣層進(jìn)行清理，并對(duì)墊層進(jìn)行預(yù)壓處理。