高速公路碎石樁復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河南工業大學土木建筑學院（450001）

1 碎石樁復合地基模型

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

數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，邊坡系數為1.5，路堤分4層進行填筑施工。地基的計算區域如下：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，兩側為側限邊界，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的碎石樁復合地基。計算模型如圖1所示。

圖1 碎石樁復合地基模型

2 數值計算結果分析

計算了樁長為6～14 m的復合地基和天然地基等幾種情況。從計算結果可見，天然地基和復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展，碎石樁加固范圍內超靜孔壓消散較快，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。 可見在地基中打設碎石樁后地基中的孔壓發生明顯的降低，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（6～14 m內）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域主要位于路堤坡腳下方一定深度的范圍內，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

通過數值計算分析了碎石樁復合地基在靜荷載作用下的受力特性，得到以下結論：碎石樁具有較好的排水固結作用，復合地基中的孔壓比天然地基有較大的降低,且樁長越長復合地基中的孔壓越低。碎石樁體加固范圍內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域主要位于路堤坡腳下方一定深度的范圍內，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。