路堤下CFG樁-筏復合地基樁土應力分析及地基反力模型探討

劉常虹，劉德煊，侯文韜

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 前 言

樁-筏復合地基借鑒了房建工程中CFG樁復合地基通過砂石墊層調節地基中樁土荷載分配的思路，并使其發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-筏復合地基主要承擔路基的柔性荷載，區別于房屋建筑中與上部結構有相互作用的剛性基礎，但由于在路堤填土下設置剛度遠大于以路堤填土的鋼筋混凝土板作為筏板的剛度，使其區別于一般的路堤填土等柔性荷載。樁土應力比反映了復合地基的工作性狀，目前，國內對剛性基礎下CFG樁復合地基的樁土應力比、荷載傳遞規律做了較多研究，取得了豐富的研究成果。其中，對于諸如路堤等柔性基礎下CFG樁復合地基樁土應力比問題，近年來頗受學術界重視，但對路堤下增設混凝土板的CFG樁復合地基的研究工作卻較少。現有實測結果表明，樁土應力比值在20～120間，離散性較大，規律性較差。因此，進一步加強路堤下CFG樁-筏復合地基樁土應力比現場試驗研究是十分必要的。

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

1 現場試驗概況

1.1 工程概況及地質情況

為滿足工后沉降要求，某路堤試驗段采用“CFG樁+碎石墊層+筏板”聯合“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。路堤填筑結束后進行堆載預壓。

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

1.2 試驗元件及其埋設

試驗段采用鋼弦式土壓力盒測試樁頂和樁間土應力，采用2 MPa和0.6 MPa兩種量程，并且在埋設前進行了標定。土壓力盒埋設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 試驗段面土層性質

圖1 試驗段土壓力盒現場埋設示意

1.3 路基填筑曲線

試驗段在CFG樁養護達到齡期要求后，2008年12月23日開始鋪設碎石墊層、澆筑筏板。筏板養護完成后于2009年3月10日開始逐層填筑路基土，2009年5月11日開始超載預壓，并于2009年12月28日卸去超載土方。試驗段路基填筑時間曲線如圖2所示，其中，時間節點1、節點2、節點3、節點4分別表示填筑改良土、填筑完成、超載預壓、卸去超載土方。

圖2 路基填筑時間曲線

2 測試結果與分析

2.1 樁土應力比

2.1.1 樁土應力比-荷載-時間曲線

試驗結果表明，筏板下方各處樁土應力比的變化與路堤填筑的變化密切相關，筏板下各處樁土應力比-荷載-時間曲線如圖3所示。根據路堤的填筑情況，樁土應力比的發展歷程可分為四個階段。

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

(2)路基填筑開始后，筏板下各處樁土應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，導致樁土出現不協調的變形，且樁頂出現應力集中現象，樁土應力比增大。

(3)超載預壓后，路堤荷載穩定，樁土應力比繼續增大，至超載預壓后期趨于穩定。這是因為預壓土為一次性填筑，預壓土荷載初期主要由樁間土承擔，之后樁土間產生差異沉降，樁頂刺入量增大，樁土應力重分配，荷載逐漸由樁間土向樁頂轉移，樁土應力比逐漸增大；后期沉降趨于穩定時，樁土應力比也趨于穩定。

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

圖3 筏板下各處樁土應力比-荷載-時間曲線

由圖3可知，樁土應力比沿路基橫向呈現明顯的空間規律。恒載后期試驗段平均樁土應力比為32.6；最大樁土應力比發生在筏板邊緣，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 樁土應力比-沉降-時間曲線

試驗段筏板下平均樁土應力比與沉降的對比關系曲線如圖4所示。此處沉降為實測的樁間土沉降，由于樁頂沉降遠小于樁間土沉降，故樁間土沉降一定程度上代表樁土差異沉降。由圖4可知，筏板下樁土應力比與沉降有很好的對應關系，樁土應力比隨沉降的增大而增加。路堤填筑期間，沉降曲線較陡，此階段樁側摩阻力迅速增大，樁土應力比也迅速增加。超載預壓初期，沉降繼續發展，樁土沉降差繼續增大，樁土應力比也繼續增大；后期，沉降趨于穩定后，樁土應力比也趨于穩定。卸載后，沉降有微小反彈，樁土應力比筏板下樁土應力重分配，樁土應力比減小幅度較大。這是因為荷載減小后，筏板下樁頂應力減少幅度大于樁間土應力減少幅度。卸載一段時間后，沉降趨于穩定，樁土應力比也趨于穩定。

2.2 荷載分擔比

假定筏板下樁頂應力和地基土應力都是均勻分布，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百分比。樁土的荷載分擔比用樁土應力比表示為：

(1)

(2)

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

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

由圖5可知，隨著荷載的增加，筏板下方CFG樁承擔荷載比例呈現明顯的增長趨勢。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出來，荷載主要由樁間土承擔。隨著路堤的填筑，由于樁的剛度遠大于樁間土剛度，樁承擔的荷載迅速增加。填土間歇期，受樁土沉降差的影響，樁、土承擔的荷載稍有調整。荷載穩定初期，樁承擔的荷載比例繼續增大；后期樁體荷載分擔比達到51.3%。卸載后，樁、土壓力均有所減少，但樁頂應力的減小幅度遠大于樁間土；穩定后樁體荷載分擔比降低至39.8%，說明上部荷載越大，筏板下樁體承擔的荷載就越大。

2.3 路基橫斷面地基反力分布

試驗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，樁頂應力明顯大于樁間土應力。2008年12月23日，筏板澆筑結束后，筏板下各處樁頂應力大小相當。路基開始填筑后，隨著荷載的增長，樁頂應力與樁間土壓力均呈增長趨勢，但筏板下邊樁T1-5處應力增長最快。恒載后期，樁土應力穩定后，邊樁T1-5樁頂應力為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揮效果與樁所在位置關系密切，路基荷載下增設混凝土板后相當于剛性基礎，而均布荷載的情況下，剛性基礎下邊樁應力最大。

圖6 試驗段路基橫斷面基地反力分布

3 筏板下地基反力模型

試驗段超載預壓后，樁頂平面處路堤荷載為124 kPa，而樁土應力穩定后根據實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，為實際荷載的71%；卸載后，樁頂平面處路堤荷載為64 kPa，樁土應力穩定后反算得到的路堤荷載為56 kPa，為實際荷載的87%。

由于樁-筏復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，其沉降曲線呈現漏斗形(見圖7)，并在樁間土中產生了土拱作用，土拱拱腳支撐由樁側摩阻力提供。這說明樁間土在樁頂平面上的應力并非均勻分布，實測的兩樁間形心處應力不能完全代表樁間土應力。樁頂平面處樁間土應力實際由兩部分組成，一部分是由樁間土自身承擔的荷載引起的樁間土應力，這部分應力基本均勻分布；另一部分是由樁側摩阻力引起的樁間土附加應力，這部分應力隨著與樁距離的增大而衰減，其最大值位于樁側壁，數值上等于樁側摩阻力，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，可近似認為此處摩阻力引起的樁間土附加應力為零。結合實測結果可獲得試驗段筏板下地基反力模型，如圖7所示。在圖7中，σp為筏板下樁頂應力；σs為筏板下兩樁間形心處的土應力；τ為樁側摩阻力；d為CFG樁直徑；S為樁間距。

圖7 CFG樁-筏復合地基筏板下地基反力模型

由以上分析可知，試驗段路堤荷載為124 kPa時，由樁側摩阻力引起的樁間土附加應力承擔29%；路堤荷載為64 kPa時，承擔13%，說明上部荷載越大，這部分應力所承擔的荷載比例就越大。這是因為上部荷載越大，樁側摩阻力越大，其對樁間土影響的范圍就越大。樁側摩阻力為該處樁與土間的摩擦力，其表達式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的土壓力系數，由于樁間土接近于側限狀態，K可按靜止土壓力系數計算，即K=K0=1-sinφ，其中φ為樁間土的內摩擦角。

所以，由樁側摩阻力引起的樁間土附加應力在兩樁間的分布形態受上部荷載、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一步研究。

4 結 論

本文通過現場試驗研究，深入剖析了樁-筏復合地基樁頂、樁間土的應力，以及樁土應力比隨荷載、固結時間及沉降的變化規律，并分析了樁、土應力空間的分布規律，探討了筏板下基地反力模型，得到以下結論。

(1)樁-筏復合地基中，隨著荷載和時間的增長，樁土應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增長，荷載進一步向樁頂轉移，樁土應力比繼續增大；當恒載期后期趨于穩定后，筏板下樁土應力比為13.8～57.7，平均樁土應力比為32.6。

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

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

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

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