管樁與袋裝砂井組合型復(fù)合地基特性研究*

朱賢宇，姚云龍，尹建兵，劉 鑫

(1.中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京 210011； 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 3.河海大學(xué)隧道與地下工程研究所，江蘇 南京 210098； 4.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032)

0 引言

軟土具有含水率高、流動(dòng)性強(qiáng)、承載力低和壓縮性高的特點(diǎn)，但工程性質(zhì)較差，因此選擇合適的處理方法改善軟土工程性質(zhì)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。管樁與袋裝砂井組合型復(fù)合地基處理方法是有效的處理方法之一，在土體中設(shè)置袋裝砂井，減小土層的排水距離，軟土固結(jié)時(shí)間長短與其相對排水距離的平方成正比，從而加速了路基的固結(jié)和沉降[1-2]。

管樁聯(lián)合袋裝砂井相比于常規(guī)處理方法，具有承載力高、沉降小、管樁擠土能力小、路基抗剪強(qiáng)度高、施工進(jìn)度快、造價(jià)低、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和工后效益[3-4]。該方法已應(yīng)用于軟土復(fù)合地基，解決了橋頭跳車、工后沉降等問題，如廣東某高速公路標(biāo)段采用了管樁與袋裝砂井組合型復(fù)合地基處理方法進(jìn)行軟基處理[5]。目前，眾多學(xué)者對管樁和袋裝砂井都展開了研究，如：Han等[6]基于有限元分析了軟土復(fù)合地基的力學(xué)性狀，并研究了復(fù)合地基樁-土相互作用及荷載傳遞規(guī)律；高喜勝[7]對預(yù)應(yīng)力管樁聯(lián)合袋裝砂井軟基處理的加固原理和理論計(jì)算進(jìn)行了分析；曹衛(wèi)平等[8]基于Plaxis有限元發(fā)現(xiàn)在路堤填筑過程及地基土固結(jié)過程中，樁身中性點(diǎn)位置先向下移動(dòng)后向上移動(dòng)，再向下移動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定；Kong等[9]基于有限元分析了復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理，并探討了復(fù)合地基中樁側(cè)負(fù)摩阻力與地基土固結(jié)時(shí)間的關(guān)系；劉毅等[10]基于有限元分析了樁身模量、褥墊層強(qiáng)度和厚度等因素對復(fù)合地基的影響；唐曉武等[11]研究表明剛性樁在使用和計(jì)算固結(jié)時(shí)，不可忽略褥墊層的協(xié)調(diào)作用，剛性排水樁的軟基處理能力相比砂井和不排水剛性樁明顯更強(qiáng)；周志軍等[12]提出可控剛性樁與排水體組合型復(fù)合地基，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法能有效減小不均勻沉降；Nguyen等[13]提出了假設(shè)法并計(jì)算垂直排水改良軟土地基在不同應(yīng)力狀態(tài)下的固結(jié)沉降，通過有限元和工程實(shí)例表明，該解與實(shí)測結(jié)果吻合較好；陳兆鈺等[14]通過袋裝砂井模型試驗(yàn)研究了初始含水率對濱海地區(qū)軟土地基砂井排水效果的影響規(guī)律；蔣建清等[15]發(fā)現(xiàn)塑料排水板和袋裝砂井聯(lián)合堆載預(yù)壓方法處理軟基有良好的加固效果并能有效降低沉降，沉降-時(shí)間曲線呈多級式發(fā)展，袋裝砂井處理的沉降量小于塑料排水板處，軟基上部土體的排水效果明顯優(yōu)于中、下部；李國維等[16]研究表明陀螺樁墊層可以加快袋裝砂井地基固結(jié)，也可以減小地基總沉降和提高穩(wěn)定性；吳永立等[17]基于Plaxis有限元建立了帶帽管樁聯(lián)合袋裝砂井復(fù)合地基模型，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)摩阻力與樁頂荷載呈正相關(guān)，袋裝砂井在荷載<100kPa時(shí)能有效增加樁側(cè)摩阻力；陳力愷[18]基于有限元發(fā)現(xiàn)樁側(cè)負(fù)摩阻力和中性點(diǎn)位置隨地基土的固結(jié)不斷變化并最終趨于穩(wěn)定，樁側(cè)摩阻力受豎向荷載、樁-土接觸面性質(zhì)的影響較大。Plaxis軟件可以很好地模擬土體在荷載作用下的受力變形過程，可以用來預(yù)測高速公路軟土路基變形和穩(wěn)定性[19-20]。

上述研究未對管樁與袋裝砂井組合型復(fù)合地基的固結(jié)、沉降、穩(wěn)定性等特性進(jìn)行深入研究。因此，本文將基于Plaxis有限元軟件并結(jié)合現(xiàn)有工程實(shí)例，建立4種不同處理方法的樁土復(fù)合地基模型，對比分析固結(jié)、沉降、穩(wěn)定性和樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，據(jù)此評價(jià)各方法的處理效果，對分析工程固結(jié)沉降與路堤穩(wěn)定性預(yù)測具有實(shí)用性，為類似復(fù)合地基運(yùn)用和選擇提供參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 模型基本假定

依托于遵秦高速公路某標(biāo)段含有管樁與袋裝砂井組合型復(fù)合地基的工程實(shí)例，建立正方形布樁的樁土復(fù)合地基模型，地基寬度取120m，高度取25m，土層邊坡坡比為1∶1.5，其中路堤頂寬取36m。為了計(jì)算方便，現(xiàn)進(jìn)行以下假定。

1)對路堤進(jìn)行取半分析，建立半對稱數(shù)值模型，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。

2)填土和地基土均為彈塑性，樁間土變形為一維壓縮性。

3)以Berrum理論公式計(jì)算樁側(cè)摩阻力；復(fù)合地基在一定深度處存在等沉面，由于存在負(fù)摩阻力，將等沉面設(shè)在正摩阻力與負(fù)摩阻力的分界面。

1.2 模型邊界條件

為了確保計(jì)算精度，模型邊界需設(shè)置一定的約束條件。模型頂面為自由邊界，底部為水平與豎直方向位移約束邊界，左、右兩側(cè)為水平方向位移約束邊界，不限制豎直位移。將常水位線設(shè)于軟土層頂部邊界，模型左、右兩側(cè)和底部邊界均限制滲流。

1.3 模型參數(shù)取值

1.3.1土層參數(shù)

各土層土體參數(shù)指標(biāo)取自該標(biāo)段工程地質(zhì)勘察報(bào)告中各土層設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，如表1所示。軟土層采用修正劍橋模型，其他土層采用莫爾-庫侖模型，其中路堤填土高度和軟土深度均為8m，為滿足工況需求，以1m為填筑高度，分層填筑。

表1 各土層土體參數(shù)指標(biāo)

1.3.2樁體參數(shù)

路堤穩(wěn)定性有限元計(jì)算為二維平面問題，樁體采用線彈性模型，要將實(shí)際三維樁體轉(zhuǎn)化為二維等效板體，依據(jù)Reissner-Mindlin理論的5結(jié)點(diǎn)梁單元來等效轉(zhuǎn)化，等效前、后的復(fù)合地基豎向剛度相同，樁體計(jì)算參數(shù)指標(biāo)如表 2所示。

表2 樁體計(jì)算參數(shù)

1.4 模型建立

基于在管樁間打設(shè)袋裝砂井情況及上述參數(shù)，最終確定二維有限元計(jì)算模型，如圖 1所示。在Plaxis軟件中采用排水線模擬砂井，用板單元模擬管樁，使用界面單元并考慮摩擦特性。由于所分析問題具有對稱性，只考慮模擬右半邊。為提高計(jì)算精度和收斂性，對復(fù)合地基模型進(jìn)行了加密規(guī)則劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖 2所示。

圖1 管樁與袋裝砂井組合型復(fù)合地基計(jì)算模型

圖2 網(wǎng)格劃分示意

1.5 計(jì)算步驟

為了研究袋裝砂井與管樁組合的作用效果并進(jìn)行對比，需討論只有袋裝砂井和管樁單獨(dú)存在、改變管樁和袋裝砂井施工順序所帶來的影響，考慮計(jì)算步驟建立4種模型。各模型的計(jì)算步驟如表3所示。將以下各步驟在Plaxis中模擬計(jì)算，然后進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析。

表3 各模型的計(jì)算步驟

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 固結(jié)分析

由太沙基有效應(yīng)力原理可知，固結(jié)主要是軟土中的超靜孔隙水壓力消散、有效應(yīng)力增加的過程[21]，土體從而得到加固，超靜孔隙水壓力的增長與消散規(guī)律反映了地基排水固結(jié)特性和有效應(yīng)力的變化規(guī)律。選擇淤泥層中部接近路基中線的A點(diǎn)處，分析超靜孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系，如圖3所示。

由圖3可知，在袋裝砂井的處理下，超靜孔隙水壓力出現(xiàn)反彈現(xiàn)象；而在管樁的影響下，反彈現(xiàn)象消失，隨著地基填土荷載的增加，超靜孔隙水壓力一直增大，當(dāng)荷載施加完后達(dá)到最大值，之后超靜孔隙水壓力逐漸減小，所需時(shí)間要小于單獨(dú)用袋裝砂井處理的時(shí)間。模型2超靜孔隙水壓力增加和消散速率均比模型3慢，這是因?yàn)樵谑┕す軜哆^程中，土體受擠壓使超靜孔隙水壓力增大，袋裝砂井加快了排水，從而導(dǎo)致超靜孔隙水壓力消散速率較快。

圖3 各模型超靜孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系

模型3超靜孔隙水壓力消散比模型4快，管樁與袋裝砂井組合的超靜孔隙水壓力小且消散很快，先增大至12kPa后減小至0，這是由于管樁承擔(dān)了上部荷載，導(dǎo)致A點(diǎn)的總應(yīng)力減小，超靜孔隙水壓力減小，這種減小是相對的，相比原始狀態(tài)還是有所增加，有效應(yīng)力也在增加，也說明了袋裝砂井在排水方面起著重要作用。

2.2 沉降分析

2.2.1路堤總沉降分析

為分析路堤總沉降的變化規(guī)律，取地表路堤處3個(gè)固結(jié)階段分析路堤總沉降，如圖4所示。

圖4 各模型沉降與距路堤中心距離的關(guān)系

由圖4可知，各模型路堤總沉降隨著與路堤中心距離的增大而逐漸減小，在距路堤中心約60m處沉降為0。在3個(gè)固結(jié)時(shí)間段中，模型1的沉降量均最大，袋裝砂井使孔隙水壓力消散，地基發(fā)生固結(jié)，但不能減小路堤總沉降；模型2，3，4的沉降變化均勻，受時(shí)間因素影響較小，不會因太大的沉降差異而造成失穩(wěn)現(xiàn)象，

組合處理的沉降稍大于單獨(dú)用管樁處理的沉降，由于袋裝砂井加速了軟土固結(jié)導(dǎo)致沉降變大。模型3與模型4處理方式下的總沉降相差不大，沉降小，同時(shí)能避免出現(xiàn)沉降盆所帶來的危害，但是在固結(jié)的3個(gè)階段，模型4的沉降要稍大于模型3，沉降差隨著與路堤中心距離增大先逐漸增大后減小，說明先施工砂井加快了軟土固結(jié)。

2.2.2時(shí)間-沉降分析

同樣取軟土層中部靠近路基中心線的一點(diǎn)，分析此處沉降隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 各模型沉降與時(shí)間的關(guān)系

由圖5可知，模型3與模型4的變化曲線基本重合，說明施工順序?qū)β返讨行牡某两涤绊懖淮蟆ＤＰ?在固結(jié)過程中沉降增幅最大，一旦有荷載增加，沉降很明顯，此時(shí)地基中只存在袋裝砂井而沒有樁體承載，孔隙水壓力消散很快，地基固結(jié)較快，所以沉降增加明顯。模型2的關(guān)系曲線變化最緩慢，這是由于沒有排水作用導(dǎo)致孔隙水壓力消散很慢，但模型2的沉降量小于模型1的沉降量，打設(shè)袋裝砂井后土體固結(jié)所需時(shí)間也明顯縮短。在地基中打設(shè)樁體后沉降量明顯降低，這也反映管樁在承受上部荷載方面起到了重要作用。

2.3 穩(wěn)定性分析

通過有限元強(qiáng)度折減法來分析路基穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)路基需要考慮路基的最終穩(wěn)定性，還要考慮填筑過程的穩(wěn)定性。通過4種模型在不同施工階段的安全系數(shù)來研究各處理方法對路基穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 不同模型不同施工階段的安全系數(shù)

由表4可知，4種模型的安全系數(shù)在施工階段是不斷變化的，均隨荷載的增加而逐漸減小，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層施工完成后達(dá)到最小值。由此可見，路基失穩(wěn)是在開始加載后不斷發(fā)展的，施加完荷載后的安全系數(shù)最小，因此不同模型的安全系數(shù)增幅不同，模型2，3，4的安全系數(shù)增幅均大于模型1，說明管樁起到了重要作用；模型3，4最后階段的穩(wěn)定系數(shù)幾乎相同，且最后增幅也相近，這反映了不同施工順序?qū)β坊€(wěn)定性影響很小；打設(shè)管樁使路基穩(wěn)定性提高了很多，說明樁體復(fù)合地基不僅提高承載力，還提高了路基穩(wěn)定性。

2.4 樁側(cè)摩阻力分析

取樁頂荷載20，60，100，140kPa為4種工況，樁側(cè)摩阻力與樁頂荷載的關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同樁頂荷載對樁側(cè)摩阻力的影響

由圖6可知，該3種模型的樁側(cè)摩阻力均隨樁頂荷載的增加而不斷增大，沿樁身從上往下出現(xiàn)了負(fù)摩阻力區(qū)、過渡區(qū)和正摩阻力區(qū)。隨樁頂荷載的增加，樁側(cè)摩阻力表現(xiàn)為負(fù)摩阻力逐漸減小，正摩阻力逐漸增加的過程，最大樁側(cè)摩阻力在深度7m左右。模型3，4的樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律和數(shù)值大小很接近，施工順序不同并未改變樁間土的狀態(tài)。模型2的中性點(diǎn)位置高于模型3，4的中性點(diǎn)位置，中性點(diǎn)位置不斷上升，負(fù)摩阻力區(qū)變小而正摩阻力區(qū)增大，這是由于路堤填筑較高時(shí)，樁間土已經(jīng)形成了土拱，樁體承擔(dān)大部分的路堤荷載而樁間土承擔(dān)了小部分荷載，所以樁體沉降值增長較快而樁間土沉降值增長較慢，導(dǎo)致樁間土相對于樁體有向上的相對位移。路堤荷載一直增加，此時(shí)地基土的固結(jié)還未完成，樁頂荷載成為影響樁側(cè)摩阻力的主要因素，隨著荷載的增加，樁側(cè)摩阻力的變化逐漸趨于穩(wěn)定。

樁周土既不產(chǎn)生正摩阻力又不產(chǎn)生負(fù)摩阻力的位置即為中性點(diǎn)[22]。分析中性點(diǎn)位置變化可以反映樁側(cè)摩阻力變化與樁身受力情況，如圖7所示。

圖7 中性點(diǎn)深度與時(shí)間的關(guān)系

由圖7可知，有無袋裝砂井的變化規(guī)律基本一致，有袋裝砂井的情況能稍微提高中性點(diǎn)的位置。中性點(diǎn)隨著路堤填筑先下降然后逐漸向上移動(dòng)，之后在100d后又下降。這是由于路堤填筑高度較低時(shí)，樁間土還未形成完整的土拱，樁間土所受荷載逐漸增大，樁間土沉降值增大較快而樁體沉降值增大較慢，樁間土相對于樁體有向下移動(dòng)的趨勢。而當(dāng)路堤填筑高度較高時(shí)，路堤填土中已形成完整的土拱，樁間土所受荷載變化很小，樁體承擔(dān)了大部分的路堤荷載而樁間土只承擔(dān)了小部分，樁體沉降值增大較快而樁間土沉降值增大較慢，樁間土相對于樁體有向上的移動(dòng)趨勢。

3 結(jié)語

1)軟土復(fù)合地基的固結(jié)沉降變化規(guī)律與處理方式有很大的關(guān)系。僅用袋裝砂井處理的超靜孔隙水壓力會出現(xiàn)反彈，打設(shè)管樁會使反彈現(xiàn)象消失。組合型復(fù)合地基處理方法具有優(yōu)越性：超靜孔隙水壓力小，超靜孔隙水壓力消散很快；不同施工順序處理下的超靜孔隙水壓力均先增大至12kPa后減小，而先施工管樁的消散更快。

2)僅用袋裝砂井處理的路堤中心沉降是僅打設(shè)樁體的7.5倍左右，應(yīng)用管樁后的沉降變化均勻，受固結(jié)時(shí)間影響較小。組合處理具有沉降小優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)能避免沉降盆所帶來的危害，沉降受施工順序的影響不大，先施工管樁的沉降要稍小于先施工袋裝砂井，兩者沉降差隨著與路堤中心距離的增大先逐漸增大后減小。

3)路堤安全系數(shù)隨荷載的增加而逐漸減小，在路面結(jié)構(gòu)層施工完成后達(dá)到最小值。打設(shè)管樁后的安全系數(shù)增幅均大于僅用袋裝砂井的情況，施工順序?qū)β返谭€(wěn)定性影響很小。不同加載施工期的穩(wěn)定性差別較大，需重視加載過程；袋裝砂井所需固結(jié)時(shí)間較長，因而需提前填筑路堤，有必要在軟土充分固結(jié)后再修筑路面結(jié)構(gòu)物。

4)打設(shè)袋裝砂井能稍微提高中性點(diǎn)位置，中性點(diǎn)位置隨路堤填筑先逐漸下降后向上移動(dòng)，之后在100d后又下降。在土體固結(jié)前，樁側(cè)摩阻力與樁頂荷載呈正相關(guān)。當(dāng)路基填筑完成后，土體固結(jié)使土體強(qiáng)度增加，此時(shí)土體固結(jié)是影響樁側(cè)摩阻力的主要因素。