碎石擠密樁復(fù)合地基應(yīng)用研究
——以遵義到赤水某段高速公路為例

燕志恒 寧夏建筑科學(xué)研究院股份有限公司

一、引言

在高速公路的施工過程中，軟土及軟弱地基的處理質(zhì)量將直接決定整個(gè)工程的質(zhì)量，從而跟施工工期是否減少，路的建造價(jià)格是否實(shí)惠，施工過程是否安全等都有密切的聯(lián)系。碎石樁復(fù)合地基就是處理軟弱地基的一種有效方法，可以節(jié)省木材、鋼材和水泥的損耗進(jìn)而減少施工的開支，另外它還具有施工簡單和加固期短等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)實(shí)際的地基處理方法，深入研究了碎石樁復(fù)合地基，但是由于所假設(shè)的情況不同，研究提出的樁土應(yīng)力比的計(jì)算公式也不同，因此，目前為止，沒有相對完善的計(jì)算模式能夠被廣泛的應(yīng)用在建筑工程中。所以，分析國內(nèi)外在碎石樁復(fù)合地基理論探究的優(yōu)缺點(diǎn)，對碎石樁復(fù)合地基理論進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[3-6]。

二、遵義—赤水高速公路碎石樁復(fù)合地基加固數(shù)值模擬

（一）ABAQUS 簡介

ABAQUS 的功能強(qiáng)大，用于很多種工程模擬的一種有限元軟件，它解決問題的范圍很廣，相對簡單的線性分析和更多復(fù)雜的非線性問題都能進(jìn)行分析。各種類型的材料模型也包含在內(nèi)，主要是用來分析典型材料的工程力學(xué)問題，有高分子材料、橡膠材料、復(fù)合材料、超彈性泡沫、土壤、巖層、地質(zhì)材料、金屬等很多材料。ABAQUS 是一種適用性很廣的模擬工具，不僅能分析很多結(jié)構(gòu)問題，還能夠分析很多其他工程問題，像耦合分析、地質(zhì)力學(xué)分析、聲學(xué)分析、電流分析、形態(tài)分析、物體成型分析、分子結(jié)構(gòu)分析等。

有限元模型的圖形機(jī)器分析最終結(jié)果的圖形都是由可視化模塊提供。

表1 土層基本指標(biāo)

（二）碎石樁沉降分析

1.工程概況

遵義—赤水高速中的一個(gè)路段上，其地基承載力在設(shè)計(jì)層面要求達(dá)到250kPa。這一路段中，土層的基本指標(biāo)見表1。由表1可見，若采用天然地基，殘積砂質(zhì)粘性土以上的土層均難以滿足路面對地基承載力及變形要求。因此，需要對天然地基進(jìn)行人工加固處理。

2.碎石樁復(fù)合地基基本特性

遵義—赤水高速其中一段是用的碎石樁復(fù)合地基，除了承載能力優(yōu)良以外，還有下面三個(gè)方面的作用：減震作用、排水減壓作用和密實(shí)作用。

碎石樁在成樁的過程中，側(cè)向壓縮高速公路軟土地基，這一過程使得碎石樁內(nèi)部的土擠壓密實(shí)；另外，要想使得土顆粒重新排列而密實(shí)，可以用振沖和干沖的施工方法，可以使得軟土地基上下震動(dòng)達(dá)到效果。

同時(shí)，碎石樁也是一種很好的散體材料，透水性能很強(qiáng)，在土層中能產(chǎn)生特別好的天然排水系統(tǒng)，不僅減少了排水路程，還能加大消散超孔隙水，這樣一來，就無形中使得了土層的抗剪強(qiáng)度也得到了大大的加強(qiáng)，故而遵義—赤水高速公路可采用碎石樁處理。

3.碎石樁復(fù)合地基變形機(jī)理分析

遵義—赤水高速公路上采用復(fù)合地基的話，所承受的載荷主要來自兩個(gè)方面，分別為路面汽車的動(dòng)載荷跟路基的永久載荷。軟土地基在路基荷載作用下時(shí)間（t）位移（s）關(guān)系如下圖所示。

在汽車瞬時(shí)載作用下，軟土地基剛開始的變形量會(huì)很大，然后隨著時(shí)間的推移，其變形量又在逐漸減小，然后會(huì)在2～4 年期間達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)。軟土地基在路基荷載作用下時(shí)間位移關(guān)系如圖1 所示。

圖1 軟土地基在路基荷載作用下s-t曲線

（三）碎石樁復(fù)合地基計(jì)算模型

1.靜力計(jì)算模型

靜力的計(jì)算方式是利用滲流/應(yīng)力耦合來分析，對于符合地基的施工樁體、路面分層填滿、分層鋪設(shè)和交通載荷的作用下，其地基的全部過程的孔壓，應(yīng)力，唯一等響應(yīng)的分析。

在此模型中，模型中自上而下為0.69m厚的路面層、4m 高的路堤、0.5m 厚的砂墊層、碎石樁復(fù)合地基和粉土層等。路面層和砂墊層采用線彈性模型模擬，模型參數(shù)見文獻(xiàn)[40]。計(jì)算中采用等剛度原理將碎石樁復(fù)合地基等效為碎石樁墻，碎石樁墻的模量：

式中，E定義為碎石樁的模量，向碎石樁數(shù)目為n，A為碎石樁的橫截面積，D，L分別為板狀的厚度和縱向長度。碎石樁墻的問題可采用平面應(yīng)變模型來分析，碎石樁復(fù)合地基計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 碎石樁復(fù)合地基計(jì)算模型

靜力計(jì)算模型的加載時(shí)程如圖3 所示。

圖3 靜力計(jì)算模型的加載時(shí)程

2.地震動(dòng)力計(jì)算模型

地震力的計(jì)算公式如下

式中，k2、n為動(dòng)力材料參數(shù)、v為松柏比、w為元周率。

地震動(dòng)力計(jì)算主要包括以下幾個(gè)程序：首先通過靜力分析計(jì)算出地震荷載施加前各單元的圍壓；再通過線性攝動(dòng)分析提取模型的基頻；通過式（4）和（7）分別計(jì)作為下次迭代的輸入新參數(shù)，直至迭代計(jì)算的動(dòng)應(yīng)變基本穩(wěn)定。則迭代計(jì)算后參數(shù)可作為地震計(jì)算的基本參數(shù)，計(jì)算地震動(dòng)力響應(yīng)問題。計(jì)算模型底部輸入的地震加速度時(shí)程如圖4 所示。

圖4 輸入加速度時(shí)程曲線

（四）計(jì)算結(jié)果分析

1.靜力計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型，選取遵義到赤水高速的典型碎石樁復(fù)合地基路段，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，如圖5 所示。

圖5 觀測值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對比

在路堤填筑完成后，路堤中心位置孔壓沿深度的變化如圖5 所示，從計(jì)算結(jié)果可見碎石樁加固范圍內(nèi)超靜孔壓有較大的消散，而碎石樁復(fù)合地基的下臥土層中的孔壓隨著深度逐漸上升。樁長對復(fù)合地基中的孔壓最大值的影響如圖6 所示，從分析計(jì)算結(jié)果可見，碎石樁在路堤的填筑和運(yùn)行期起到了明顯的排水固結(jié)作用，在樁長大于6m 后碎石樁復(fù)合地基中的孔壓最大值變化較緩慢。

在15 年運(yùn)行期后樁長對路堤底面中心沉降量的影響如圖7 所示，從計(jì)算結(jié)果可見，在樁長大于10m 后對路堤底面的沉降量影響較小。樁長對坡腳位置地基中水平位移量的影響如圖8 所示，從計(jì)算結(jié)果可見，在坡腳位置的深層水平位移量有兩個(gè)極值點(diǎn)，一個(gè)位于地面以下約1m 的位置，另一個(gè)位于碎石樁的樁底附近。

圖6 路堤中心在填筑后的孔壓分布

圖7 碎石樁復(fù)合地基中的孔壓最大值的變化

圖8 樁長對路堤底面中心沉降量的影響

圖9 樁長對坡腳水平位移量的影響

圖10 不同位置水平向加速度時(shí)程曲線

圖11 路堤中心水平位移最大值分布

圖12 路堤中心豎向位移最大值分布

2.地震動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

通過對模型施加如圖3 所示的地震加速度，得到模型底部和路堤頂面的加速度時(shí)程曲線如圖9 所示，可見路堤頂部的水平向加速度峰值較底面大。

路堤中心線下，各單元在地震荷載過程中水平位移量最大值和豎向位移量的最大值，分別如圖10 和圖11 所示。從路堤中心水平位移最大值分布可見：在復(fù)合地基加固范圍7 的水平剛度較大。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果繪制動(dòng)剪應(yīng)力比τ/σ0的分布圖如圖12 所示，其中τ為地震中各單元的循環(huán)剪應(yīng)力最大值。本文通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)天然地基在路堤坡腳下方、路堤邊坡等位置的動(dòng)剪應(yīng)力比較大，而碎石樁復(fù)合地基在加固區(qū)域，動(dòng)剪應(yīng)力比有一定的降低，因此能從一定程度上降低地震液化的影響。

三、結(jié)束語

經(jīng)過一系列的相關(guān)數(shù)值的計(jì)算，分析了碎石樁的路堤路面分層次填充筑造、施工的全部過程，在交通荷載作用的情況下對碎石樁復(fù)合地基制造的每個(gè)階段進(jìn)行靜力分析，還分析了地震動(dòng)力荷載作用情況下的相關(guān)問題，最終總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）這些使用的數(shù)值計(jì)算模型能夠很好的仿真碎石樁復(fù)合地基的相關(guān)問題。當(dāng)對路堤進(jìn)行填充筑造和實(shí)施運(yùn)行的階段，碎石樁的顯著作用就是排水凝固效用，如果樁體的長度超過6m，復(fù)合地基中的孔隙壓力的極限值的改變速度很慢，如果樁體長度超過10m，會(huì)導(dǎo)致路堤底面的沉降量減小。

（2）當(dāng)受到地震載荷的作用時(shí)，路堤頂端的水平方向上的加速度的最大值要大于路堤底部的值，在碎石樁體的凝固范疇內(nèi)，復(fù)合地基在水平上的剛度要比天然地基的剛度大，所以復(fù)合地基在水平方向上位移的最大值要比天然地基的大；相對整體地基內(nèi)部而言，復(fù)合地基在豎向上的剛度也都大于天然地基，所以復(fù)合地基在豎向上發(fā)生的位移要比天然地基大。天然地基在路堤邊坡、路堤坡腳下方等地方很容易發(fā)生液化現(xiàn)象，但是通過碎石樁進(jìn)行加固之后，就在一定程度上減少了地基液化現(xiàn)象發(fā)生的可能性。