水泥土復合預制樁荷載傳遞機理

王巖峻 姚建平 魏少偉 耿琳

1.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇徐州221116；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；3.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京100081

我國幅員遼闊，高速鐵路沿線地質條件多變，存在密實砂層、碎石土、軟土等復雜場地。為保證高速鐵路列車高速、平穩、安全運行，軌道結構要具有高可靠性、高穩定性和高平順性，因而對于下部地基沉降要求非常嚴格。混凝土預制樁作為地基處理常見樁型，樁身強度較高，但往往在樁周軟土剪切破壞時，樁身強度未完全發揮作用，造成材料的浪費［1］。目前多采用錘擊或靜壓方式成樁，在遇到局部密實砂層、碎石土等土層時，錘擊施工困難，易造成樁身損壞［2-3］；在軟土地基中，混凝土預制樁為全擠土樁，擠土效應明顯，對周圍環境影響較大［4-5］。這限制了混凝土預制樁的使用范圍，不利于綠色裝配式構件的推廣。

采用水泥土復合預制樁進行地基處理和樁基礎施工，可解決上述施工難題。水泥土復合預制樁通過在水泥土樁中插入混凝土預制樁，利用水泥土樁較大側表面積來提高側摩阻力，同時利用高強度的混凝土預制樁承擔上部荷載，充分發揮兩種樁型的優勢，有效地提高承載力，減小沉降。高速鐵路采用混凝土預制樁時，為了避免側向土的剪切破壞導致混凝土預制樁承載力失效，一般設置為端承樁［6］，而采用水泥土復合預制樁可以將其設置為摩擦樁，提高側摩阻力利用率，減少樁設計長度。

水泥土復合預制樁作為最近幾年才出現的新型樁型，滿足建設所需承載力要求，施工綠色節能環保，具有明顯的優勢，在工民建［7］、道橋［8］、水利工程［9］、基坑［10］領域已有部分工程應用，但理論研究遠滯后于實踐。本文關于荷載傳遞機理的研究可以為水泥土復合預制樁在高速鐵路中的應用提供設計依據。

1 數值模型建立及可靠性評估

1.1 模型建立

對水泥土復合預制樁樁土模型進行有限元分析時，根據現有技術條件，減少無關或影響較小的因素影響。基本假設及簡化為：①混凝土預制樁和水泥土樁為各向同性的線彈性體。②建模中不考慮水泥向樁周土擴散，并假定水泥土樁外表面平整。③考慮到全模型的計算耗時較長，且模型為軸對稱模型，所以將全模型簡化為1/4模型。④忽略地下水對樁土分析的影響。

在水泥土復合預制樁的實際施工流程中，通過高壓旋噴工藝形成水泥土樁，在水泥土未固結前，將混凝土預制樁同心植入，形成水泥土復合預制樁。在此基礎上施工上部結構，施工流程如圖1所示。本文采用生死單元法實現計算的有序性。

圖1 施工流程示意

1.2 模型可靠性評估

為保證計算結果的精度與準確性，通過選取水泥土復合預制樁現場實測資料與有限元計算結果相對比，來驗證有限元模型的可靠性。

1.2.1 參數選取

根據深圳媽灣跨海通道沿江高速公路工程水泥土復合預制樁單樁復合地基承載力現場試驗數據，建立有限元模型。土體物理力學參數見表1。混凝土預制樁采用PHC?400?AB?95，水泥土樁直徑為1 000 mm，主要物理力學參數見表2。

表1 土體物理力學參數

表2 樁體物理力學參數

采用平板載荷試驗檢測復合地基承載力，要求復合地基承載力大于等于230 kPa，最大加載量為460 kPa。采用逐級等量加載，每一級荷載為46 kPa，復合單樁連續加載92～460 kPa，共9級荷載。

混凝土預制樁與水泥土樁接觸界面摩擦因數為u1，根據文獻［11］可取0.8。水泥土樁與樁周土界面摩擦因數u2的取值可按式（1）計算［12］。

式中：φ為土體的內摩擦角；ψ為樁土界面的摩擦角。

文獻［13］中指出，樁-土界面內摩擦角可取為0.75φ～1.00φ。參照文獻［13］中經驗公式，并結合現場實際土質情況，取水泥土與樁周土面摩擦因數u2=0.35。

1.2.2 現場試驗與數值模擬計算結果對比

此外，也可開展鄉鎮級別的幼兒教師培訓，讓教師們充分了解幼兒一日活動的基本理念及詳細規則。培訓中可以就某些集中問題進行分組討論，例如幼兒的晨間鍛煉運動有哪些具體的要求，需要注意哪些細節，教師應該做什么工作，具體怎么執行等。在討論的基礎上，讓教師們撰寫自己的心得體會，總結如何才能夠將幼兒一日保教活動執行得更好，真正地理解并做到幼兒教師規范細則。

在地應力分析步1和地應力分析步2中分別模擬土體的地應力平衡以及樁放入土體后的地應力平衡，正式加載每一級荷載作為一個靜力學分析步，共9個分析步。荷載以均布力的方式施加在荷載板上。根據單樁復合地基承載力現場試驗數據建立的有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

現場實測值與數值模擬計算值荷載-沉降曲線見圖3。可知，實測值與計算值荷載-沉降曲線吻合良好，但存在差異。這是因為水泥土樁在成樁過程中，水泥漿會有一部分向樁周土擴散增加有效半徑，且表面的凹凸不平可以增大側摩阻力，而數值模擬中水泥土樁簡化為平整表面，導致沉降變形偏大。混凝土預制樁插入水泥土樁時會產生側向擠壓的作用，起到增強作用，提高了水泥土樁的承載能力。現場的地質條件十分復雜，數值模擬不可能與實際情況完全一致，必然存在誤差。

圖3 數值模擬與現場試驗對比

2 水泥土復合預制樁對比分析

水泥土復合預制樁通過在水泥土樁中插入混凝土預制樁，利用水泥土樁較大的表面積提高側摩阻力，同時利用高強度的混凝土預制樁承擔上部荷載，充分發揮兩種樁型的優勢，很多工程實踐經驗也充分驗證了水泥土復合預制樁在提高承載力及控制沉降方面的優越性。因此在有限元可靠性評估的基礎上，選取樁徑1 000 mm的水泥土復合預制樁、樁徑1 000 mm的水泥土樁和樁徑400 mm的混凝土預制樁，樁長均為15 m，在施加400 kPa的荷載下，對比分析水泥土復合預制樁與常用混凝土預制樁、水泥土樁的沉降變形差異。

水泥土復合預制樁、水泥土樁、混凝土預制樁沉降云圖見圖4，沉降曲線見圖5。

圖4 三種樁的沉降云圖（單位：m）

圖5 三種樁沉降曲線

由圖4、圖5可知：在400 MPa荷載作用下，水泥土復合預制樁最大沉降為15.2 mm；水泥土樁最大沉降為30.5 mm；混凝土預制樁最大沉降為32.6 mm。相比于水泥土樁，水泥土復合預制樁沉降降低了50.2%；相比于混凝土預制樁，沉降降低了53.4%。

樁頂沉降由樁身壓縮變形和樁端沉降組成，相較于水泥土復合預制樁，水泥土樁的樁身強度低，樁身壓縮變形大，使得總體沉降偏大。混凝土預制樁的樁身強度高，壓縮變形小，所以在初始階段混凝土預制樁沉降變化趨勢與水泥土復合預制樁基本接近，但隨著荷載的增大，混凝土預制樁的樁端土發生塑性破壞逐漸失去承載能力，使得總體沉降陡增。

水泥土復合預制樁的大直徑相較于混凝土預制樁可以在提供更大側摩阻力的同時，有效降低樁側土和樁周土發生塑性破壞的可能性，從而獲得更高的承載力。而對于水泥土樁的樁身強度較低，樁身變形大的問題，水泥土復合預制樁通過在水泥土樁中插入高強度混凝土預制樁，有效降低樁身變形。所以，水泥土復合預制樁充分結合了水泥土樁和混凝土預制樁兩種樁型的優勢。

3 水泥土復合預制樁荷載傳遞機理

但是對于水泥土復合預制樁而言，由于樁身內外芯在豎向荷載作用下也存在著軸向的相對位移與剪切，這種樁身內部的相互作用也會反映在樁土作用中，因而荷載的傳遞機理要比單一材料樁復雜得多，需要重點分析。數值模型選取典型計算參數見表3。

表3 典型計算參數

3.1 豎向應力分析

混凝土預制樁、水泥土樁的豎向應力沿深度分布曲線見圖6。

圖6 豎向應力沿深度分布

由圖6可知，混凝土預制樁樁身應力分布可分為兩段。第一段，樁身應力在樁頂以下4 m左右深度內逐漸增大，原因在于混凝土預制樁存在向上刺入墊層的現象，水泥土樁相對于預制樁有向下位移的趨勢，產生負摩阻力，應力由水泥土樁向預制樁集中，在兩者界面相對位移為0時，混凝土預制樁豎向應力達到最大值。第二段，樁身應力在達到最大值后沿深度快速減小，此時水泥土樁相對于預制樁有向上移動的趨勢，產生正摩阻力，混凝土預制樁豎向應力快速向水泥土樁傳遞。樁端荷載為29.5 kN，承擔了14.5%的樁頂荷載，樁側摩阻力為172.5 kN，說明水泥土復合預制樁樁頂荷載主要通過側摩阻力承擔，樁端承擔荷載較少，這也符合摩擦樁的特征［14］。

3.2 豎向應力比分析

混凝土預制樁與水泥土樁以及復合樁與樁周土的豎向應力比見圖7。

圖7 豎向應力比沿深度分布曲線

由圖7可知，混凝土預制樁與水泥土樁豎向應力比值分布可分為兩段。第一段，深度在0～7 m，隨著深度增加，混凝土預制樁與水泥土樁豎向應力比逐漸增大，最大比值為42.8，這是因為界面產生負摩阻力使得豎向應力由水泥土樁向混凝土預制樁集中。第二段，深度在7～15 m，應力比由最大值逐漸減小到樁端位置的應力比1.6，說明到了樁端的位置，混凝土預制樁的豎向應力已經基本通過正摩阻力傳遞到水泥土樁及樁周土中。復合樁與樁周土豎向應力比除了在頂部負摩阻力區域逐漸增大，其他位置沿深度快速減小，復合樁內豎向應力通過樁側摩阻力快速向樁周土傳遞，三者協同承擔荷載。

在復合地基承載體系的三個部分中，混凝土預制樁的面積占比為2.2%，水泥土樁的面積占比為6.5%，樁周土的面積占比為91.3%。但是由圖6可知，深度為0（樁頂位置）時，混凝土預制樁、水泥土樁和樁周土承擔的樁頂荷載分別為50.5%、19.3%和30.2%，應力集中使得混凝土預制樁承擔了一半的樁頂荷載，降低了強度較低的水泥土樁和樁周土發生塑性破壞的可能性。

3.3 界面側摩阻力分析

水泥土復合預制樁樁土模型由兩個界面組成，分別是混凝土預制樁與水泥土樁接觸界面，以及水泥土樁和樁周土接觸界面，界面側摩阻力的傳遞是揭示水泥土復合預制樁荷載傳遞規律的重要內容。側摩阻力沿深度分布曲線見圖8。可知，由于上部墊層的調節作用，樁頂位置處出現差異沉降，界面出現相對位移，所以在兩個界面樁頂以下一定深度內均出現了負摩阻力。對于混凝土預制樁與水泥土樁界面，中性點深度為4.5 m；對于水泥土樁與樁周土界面，中性點深度為2.4 m，小于混凝土預制樁與水泥土樁界面中性點深度。這是由于水泥土樁與樁周土的彈性模量相對差異較小，實現相對位移為0的速度更快。中性點以下，三者相對位移逐漸增大，混凝土預制樁與水泥土樁之間良好的黏結性可以提供更大的側摩阻力，通過混凝土預制樁、水泥土樁和樁周土三者的協同作用，充分發揮混凝土預制樁高強度特性，避免材料的浪費。

圖8 側摩阻力沿深度分布曲線

4 結論

1）水泥土復合預制樁可以充分結合水泥土樁和混凝土預制樁兩種樁型的優勢，能夠利用水泥土樁側表面積大的優勢提供較大的側摩阻力，實現更高的承載力；在水泥土樁中插入高強度混凝土預制樁，也可以有效控制沉降變形。

2）混凝土預制樁、水泥土樁和樁周土承擔的樁頂荷載分別為50.5%、19.3%和30.2%，應力集中使得混凝土預制樁承擔了一半的樁頂荷載，降低了強度較低的水泥土樁和樁周土發生塑性破壞的可能性。

3）混凝土預制樁與水泥土樁之間良好的黏結性能，通過混凝土預制樁、水泥土樁和樁周土三者的協同作用，充分發揮混凝土預制樁高強度特性，避免材料的浪費。