強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基處理效果

曾華健，潘 忱

(江蘇省巖土工程公司， 江蘇 南京 210009)

隨著經濟貿易的發展，越來越多的物流倉儲庫房投入建設，為了便于貨物的運輸，常常需要在軟弱土層上修建大型倉儲物流庫房，此時對地基的沉降和差異沉降等提出了更高的要求，而復合地基由于其施工工期短和較好地控制地基沉降的優點使得其在軟土地基處理中被廣泛使用[1]。學者們和工程技術人員已經對不同的單一樁型復合地基處理軟土地基的效果進行了大量的研究[2-4]，如Hong等[5]在研究復合地基沉降特性的基礎上，結合概率統計分析方法給出了改進的靜載試驗，以實現早期地預測復合地基工后沉降；胡海英等[6]通過合理的假設和理論分析，給出了基于沉降控制的剛性樁復合地基設計方法；等等。

然而由于工程中對復合地基沉降的要求越來越高，單一樁型有時無法滿足工程需求，人們開始尋求采用多樁型組合的復合地基形式，以克服單一樁型的局限性[7-8]，如陳麗[9]通過現場試驗，研究了剛柔組合樁處理深厚軟基的變形特性。CFG樁[10-11]和碎石樁[12]已被廣泛應用在復合地基中，而強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基即為一種新型的多樁型組合的復合地基[13]，查閱文獻發現目前強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基的研究主要是針對其工程特性和設計影響因素[14]方面，如茍波[15]通過現場試驗和數值模擬計算研究了該類型復合地基樁體應力和沉降的變化規律，而現階段關于強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基的適用性和處理效果研究較少，尤其是在大型大面積倉儲地基處理中應用鮮見報道。本文擬通過對工程背景和地質情況分析，根據強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基的施工方法和施工參數，利用PLAXIS 3D有限元軟件建立簡化的三維模型，對地基處理后不同荷載作用下倉儲場地地坪結構層的沉降和差異沉降情況進行計算，研究在某擬建物流倉儲場地中采用強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基進行軟土地基處理的效果，以供類似工程借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆明市某擬建物流倉儲場地，四面環路，場地呈長方形，總占地面積118 900.58 m2。項目分兩期建設，一期工程包含1號庫房、2號庫房、設備房、維修間、綜合樓及門衛，用地面積63 696.98 m2；二期工程包含3號庫房、4號庫房及門衛，用地面積55 203 m2。其中4號庫擬采用強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基方式進行地基處理，目的是解決地基沉降問題，并為后續土建進場施工提供地面整平條件。

1.2 水文地質條件

根據場地勘察報告，場地地層主要是：

①素填土，為場地整平時回填，成份主要由黏性土夾含碎石、角礫及砂土等組成，結構松散，填埋時間短，大部分為年內回填。

②耕土層，力學性質及狀態均較差，厚度薄。

③黏土層，沖洪積成因，狀態較好，力學強度及抗變形能力一般，層頂埋深2.50 m～0.50 m，層厚5.10 m～2.30 m。

④黏土，力學強度及狀態均較好，抗變形能力稍好，層頂埋深9.50 m～10.50 m，層厚5.10 m～2.30 m。

④-2泥炭質土層，力學強度及狀態均相對較差，呈薄層或透鏡體狀，連續性較差，屬深下部較差的軟弱夾層。

⑤黏土層，力學強度及狀態均一般，抗變形能力稍好，層頂埋深9.50 m～10.50 m，層厚5.10 m～2.30 m。

⑤-1圓礫層，力學強度及狀態均相對較好，抗變形能力稍高，層頂埋深5.10 m～2.80 m，平均層厚4.30 m,分布連續。

勘察期經量測，所有鉆孔均觀測到穩定地下水，測得鉆孔地下水位初見水位在1.60 m～4.50 m之間，穩定水位在2.00 m～5.50 m之間，地下水呈由高向低、由東向西流動趨勢。

2 加固原理

強夯碎石樁將強夯法與置換法有機的結合，通過將強度高、透水性好的碎石等材料夯入地基中，形成柱狀樁體，從而與地基土形成復合地基。強夯碎石樁可以置換土體和促進地基土排水固結，對土體還有一定的振密作用，有效地消除沙土液化。

CFG樁(Cement Fly-ash Gravel，CFG)即水泥粉煤灰碎石樁是一種介于剛性樁與柔性樁之間的可變強度樁，主要是通過樁體的擠密效應達到提高地基承載力和減小沉降的目的，且利用水泥的膠結作用使樁身材料凝固成一個整體，從而發揮全樁長的側阻作用，有效地將荷載傳遞到樁底。

這兩種樁的組合應用，具有以下優勢：

(1) 通過強夯置換法加強了表層土土體強度，加大了樁間土的密度，為復合地基提供更大的側向附加應力，保護碎石樁樁體不因膨脹而破壞。

(2) 可以充分發揮碎石樁排水、擠密的功能，加速地基土的固結。

(3) 利用CFG樁的整體性，滿足了地基承載力與沉降的要求。

強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基不僅可以充分發揮強夯碎石樁和CFG樁的優勢，而且能有效彌補另一樁型的缺點，因此對沉降要求較高的大型倉儲物流庫房的地基處理中具有明顯的優勢和較好的適用性。

3 有限元計算

考慮該大型物流倉儲中心將存放大量物品，對地基產生較大的荷載作用，因此本節將利用PLAXIS 3D有限元軟件，通過計算分析強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基形式對該大型倉儲進行地基處理的效果，為施工設計提供依據。

3.1 計算方案

本文采用有限元軟件計算地基的沉降情況和差異沉降對地坪結構層的影響，從而分析強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基進行軟土地基處理的效果。因此計算方案主要包括如下內容：

(1) 首先分別計算該場地不進行地基處理(工況1)、僅采用強夯碎石樁復合地基(工況2)、僅采用CFG樁復合地基(工況3)和強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基(工況4)處理的四種地基處理方式條件下，在30 kN/m2的面荷載作用下的沉降和差異沉降情況，以分析不同地基處理方式的效果。

(2) 然后計算該場地在強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基處理方式條件下，于地坪結構層上分別施加10 kN/m2～50 kN/m2的面荷載作用下的沉降和差異沉降情況，以分析強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基處理方式在大面積倉儲物流場地中應用的效果。

3.2 模型的建立

3.2.1 計算模型及參數

根據現場的地形和地質條件，考慮倉儲物流中心面積較大，為便于計算，對4號庫房地基進行簡化，選取泥炭質土層最厚的位置處3×3根碎石樁與2×2根CFG樁組成的復合地基模型進行計算，則計算模型平面為3倍樁間距，即邊長取12 m。根據地質勘查鉆孔揭示土層，地質條件自上向下依次為素填土(厚4.5 m)、黏土層1(厚8 m)、泥炭質土(厚7.5 m)和黏土層2(厚10 m)，地下水位在地表下2.5 m處，計算深度取30 m。

根據施方法和樁體特點，強夯碎石樁、墊層和地坪結構層采用土體模型，強夯碎石樁樁長6.0 m，CFG樁采用PLAXIS 3D有限元軟件自帶的Embedded樁模型，樁長22.0 m，樁端反力取200 kN。

在建立計算模型后，首先計算初始地應力，然后在初始地應力計算的基礎上，根據施工工藝，依次激活強夯碎石樁和CFG樁，打樁過程采用“塑性分析”，并激活滑動界面單元，然后采用“塑性分析”激活墊層、結構層，最后施加均布面荷載，并通過“固結分析”計算復合地基及結構層的在均布荷載作用10 a后的變形、應力情況。

3.2.2 基本假設及參數

為便于計算，本文作出如下假設：

(1) 計算模型的受力和變形為平面應變問題。

(2) 計算中各土體以及墊層、碎石樁均服從Mohr-Coulomb屈服準則，地坪結構層服從線彈性屈服準則。

根據地勘資料和相關文獻[9]，本文計算的土體、樁體和結構層的計算參數見表1。

表1 土體和樁體物理力學參數

3.2.3 樁土接觸界面

由于樁體和土體剛度的不同，在有限元計算中，可以通過設置“界面單元”來聯結樁體和土體。界面單元的屬性與樁周土的強度參數有關。當選擇摩爾-庫侖模型時，界面單元的性質通過強度折減法系數Rinter和界面虛擬厚度來反映。本文假設Rinter=0.67。工程中，樁土之間的接觸沒有實際的界面厚度，且界面主要模擬的Goodman接觸單元同樣沒有厚度，同時PLAXIS 3D有限元軟件中土體本構模型選擇摩爾-庫侖模型時界面虛擬厚度對計算結果影響較小，因此本文界面虛擬厚度取軟件默認值0.1。

3.2.4 網格劃分

PLAXIS 3D有限元軟件具有強大的網格劃分功能，其默認采用10節點四面體單元對土體進行劃分。本文所建模型主要為巖土體，因此采用軟件自帶網格劃分功能自動針對計算模型生成網格，全局疏密度設置為中等。計算模型和網格劃分見圖1。

3.3 邊界和滲流條件

采用PLAXIS 3D進行有限元計算時，需設置合理的位移邊界條件和水力邊界條件。

(1) 位移邊界條件。有限元計算模型中，底部邊界采用完全固定約束，即限制水平和豎向位移；三維模型中前后左右四個側面均采用法向固定約束，即限制水平方向位移，豎直向方位移自由；模型頂面設置邊界約束條件為完全自由。

圖1 數值計算模型和網格劃分

(2) 水力邊界條件。有限元模型中水力滲流邊界設定為頂面和前后左右側面滲流邊界為打開狀態，底面滲流邊界均為關閉狀態。

4 計算結果分析

根據上述有限元計算過程，計算并分析地基在均布荷載作用10年后的沉降情況和差異沉降對地坪結構層的影響。

4.1 沉降與應力分析

以在地坪結構層施加面荷載30 kN/m2為例，對強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基豎向位移云圖和地坪結構層應力云圖進行分析，如圖2所示。

當施加面荷載為30 kN/m2時，由數值計算結果云圖可知：

(1) 地基處理后模型中豎向位移最大值為22.3 mm，位于地坪結構層角點處；隨著土層埋深的增大，豎向位移逐漸減小，當土層埋深約大于20 m時，模型中土體基本不發生豎向位移。

(2) 由圖2(a)和圖2(b)可知，在荷載的作用下，復合地基產生一定的沉降，以及不同區域產生沉降差，反映在地坪結構層即出現差異沉降。受到中心區域CFG樁作用，地坪結構層表面的中心點位置沉降最小，為21.8 mm，角點處沉降最大，為22.3 mm，發生的差異沉降較小，僅為0.50 mm。

(3) 在差異沉降的影響下，地坪結構層混凝土產生了拉伸應力，由圖2(c)可知，結構層中總應力最大值為46.26 kPa，拉伸應力較大時，容易導致混凝土結構層的開裂。

4.2 不同地基處理工況下的沉降情況

為進一步分析強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基的處理效果，分別計算不同處理工況下的地基沉降情況，即：

圖2 數值計算結果云圖

(1) 工況1：不進行地基處理。

(2) 工況2：僅采用強夯碎石樁復合地基，樁間距4.0 m，樁長6.0 m，樁徑1.4 m，正方形布置。

(3) 工況3：僅采用CFG樁復合地基，樁間距4.0 m，樁徑0.4 m，正方形布置。

(4) 工況4：強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基處理，其中碎石樁樁間距4.0 m，樁長6.0 m，樁徑1.4 m，正方形布置，CFG樁分布在碎石樁間，樁間距4.0 m，樁徑0.4 m，正方形布置。

計算4種工況在30 kN/m2的面荷載作用下的沉降和差異沉降情況，結果如表2所示。

從表2可以看出：

(1) 4種工況中工況1最大沉降和差異沉降均最大，分別為335.7 mm和70.6 mm，表明該場地有必要進行地基處理。

表2 不同工況沉降情況匯總

(2) 地基處理后，該場地地基沉降量明顯降低，且工況3沉降量明顯小于工況2沉降量，表明在該場地中CFG樁復合地基處理效果較強夯碎石樁更好，分析其原因是CFG樁穿過了軟弱土層，提高了整個地基的承載力，而強夯碎石樁僅加固了軟土上覆土層。

(3) 工況4的最大沉降量和差異沉降均明顯小于工況1、工況2和工況3，經計算，工況4最大沉降量較前3種工況最大沉降分別減小93.4%、85.0%和74.7%，差異沉降分別減小99.3%、97.9%和92.1%，表明強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基較單一樁型復合地基處理效果明顯提高。

4.3 不同荷載作用下的沉降情況

針對強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基，在地坪結構層分別施加10 kN/m2～ 50 kN/m2的面荷載，不同荷載作用下地坪結構層的最大沉降和最大差異沉降如圖3所示。

圖3 荷載與沉降關系圖

由上文分析可知，最大沉降發生在結構層角點處，最小沉降發生在結構層中心點處。為便于分析，可計算單位距離上差異沉降值，本文計算模型最大與最小沉降發生位置距離約9 m。由圖3可知，隨著荷載的增大，最大沉降和最大差異沉降均逐漸增大，在荷載為10 kN/m2時，最大沉降為12.93 mm，最大差異沉降僅為0.21 mm，單位距離差異沉降量為0.025 mm/m；在荷載為50 kN/m2時，最大沉降為38.2 mm，最大差異沉降僅為0.95 mm，單位距離差異沉降量為0.11 mm/m。

由規范[16]可知，混凝土在單位距離差異沉降小于1 mm/m的條件下，不會因拉應力產生裂縫，同時根據工程背景，該倉儲物流所儲存的貨物產生的荷載一般不超過60 kN/m2，表明在該倉儲物流場地采用強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基對軟弱土層進行處理，能夠較好的滿足工程要求。

同時，可以發現，地基處理后的地坪結構層的最大沉降和最大差異沉降隨著荷載的變化均呈線性變化，因此對最大沉降和最大差異沉降進行線性擬合。設最大沉降為S，最大差異沉降為Sc，荷載為P，可得：

S=0.625P+5.76，R2=0.9817

(1)

Sc=0.019P，R2=0.9972

(2)

式中:R2表示擬合公式相關系數。

根據擬合結果，最大沉降和最大差異沉降與上部荷載的線性關系相關系數分別為0.9817和0.9972，表明擬合關系較好。

考慮該地基為大型物流倉儲場地，后期將堆放不同重量的貨物，因此式(1)和式(2)可用于預測在強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基處理后的不同荷載作用下地坪結構層的沉降和差異沉降情況。

5 結 論

(1) 強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基最大沉降量較不進行地基處理、僅采用強夯碎石樁復合地基、僅采用CFG樁復合地基最大沉降分別減小93.4%、85.0%和74.7%，差異沉降分別減小99.3%、97.9%和92.1%，表明強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基較單一樁型復合地基處理效果明顯提高。

(2) 隨著荷載的增大，最大沉降和最大差異沉降均逐漸增大，在荷載為50 kN/m2時，最大沉降為38.2 mm，單位距離差異沉降量為0.11 mm/m，表明在該倉儲物流場地采用強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基對軟弱土層進行處理能夠較好的滿足單位距離差異沉降小于1 mm/m的工程要求。

(3) 地基處理后的地坪結構層的最大沉降和最大差異沉降隨著荷載的變化均呈線性變化，最大沉降和最大差異沉降與上部荷載的線性關系表達式可用于預測地基處理后的不同荷載作用下地坪結構層的沉降和差異沉降情況。