管樁與袋裝砂井組合型復合地基特性研究*

朱賢宇，姚云龍，尹建兵，劉 鑫

(1.中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京 210011； 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.河海大學隧道與地下工程研究所，江蘇 南京 210098； 4.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032)

0 引言

軟土具有含水率高、流動性強、承載力低和壓縮性高的特點，但工程性質較差，因此選擇合適的處理方法改善軟土工程性質具有重要的理論和現實意義。管樁與袋裝砂井組合型復合地基處理方法是有效的處理方法之一，在土體中設置袋裝砂井，減小土層的排水距離，軟土固結時間長短與其相對排水距離的平方成正比，從而加速了路基的固結和沉降[1-2]。

管樁聯合袋裝砂井相比于常規處理方法，具有承載力高、沉降小、管樁擠土能力小、路基抗剪強度高、施工進度快、造價低、噪聲小等優點，具有很好的經濟效益和工后效益[3-4]。該方法已應用于軟土復合地基，解決了橋頭跳車、工后沉降等問題，如廣東某高速公路標段采用了管樁與袋裝砂井組合型復合地基處理方法進行軟基處理[5]。目前，眾多學者對管樁和袋裝砂井都展開了研究，如：Han等[6]基于有限元分析了軟土復合地基的力學性狀，并研究了復合地基樁-土相互作用及荷載傳遞規律；高喜勝[7]對預應力管樁聯合袋裝砂井軟基處理的加固原理和理論計算進行了分析；曹衛平等[8]基于Plaxis有限元發現在路堤填筑過程及地基土固結過程中，樁身中性點位置先向下移動后向上移動，再向下移動，最終趨于穩定；Kong等[9]基于有限元分析了復合地基的荷載傳遞機理，并探討了復合地基中樁側負摩阻力與地基土固結時間的關系；劉毅等[10]基于有限元分析了樁身模量、褥墊層強度和厚度等因素對復合地基的影響；唐曉武等[11]研究表明剛性樁在使用和計算固結時，不可忽略褥墊層的協調作用，剛性排水樁的軟基處理能力相比砂井和不排水剛性樁明顯更強；周志軍等[12]提出可控剛性樁與排水體組合型復合地基，通過室內模型試驗發現該方法能有效減小不均勻沉降；Nguyen等[13]提出了假設法并計算垂直排水改良軟土地基在不同應力狀態下的固結沉降，通過有限元和工程實例表明，該解與實測結果吻合較好；陳兆鈺等[14]通過袋裝砂井模型試驗研究了初始含水率對濱海地區軟土地基砂井排水效果的影響規律；蔣建清等[15]發現塑料排水板和袋裝砂井聯合堆載預壓方法處理軟基有良好的加固效果并能有效降低沉降，沉降-時間曲線呈多級式發展，袋裝砂井處理的沉降量小于塑料排水板處，軟基上部土體的排水效果明顯優于中、下部；李國維等[16]研究表明陀螺樁墊層可以加快袋裝砂井地基固結，也可以減小地基總沉降和提高穩定性；吳永立等[17]基于Plaxis有限元建立了帶帽管樁聯合袋裝砂井復合地基模型，發現樁側摩阻力與樁頂荷載呈正相關，袋裝砂井在荷載<100kPa時能有效增加樁側摩阻力；陳力愷[18]基于有限元發現樁側負摩阻力和中性點位置隨地基土的固結不斷變化并最終趨于穩定，樁側摩阻力受豎向荷載、樁-土接觸面性質的影響較大。Plaxis軟件可以很好地模擬土體在荷載作用下的受力變形過程，可以用來預測高速公路軟土路基變形和穩定性[19-20]。

上述研究未對管樁與袋裝砂井組合型復合地基的固結、沉降、穩定性等特性進行深入研究。因此，本文將基于Plaxis有限元軟件并結合現有工程實例，建立4種不同處理方法的樁土復合地基模型，對比分析固結、沉降、穩定性和樁側摩阻力的變化規律，據此評價各方法的處理效果，對分析工程固結沉降與路堤穩定性預測具有實用性，為類似復合地基運用和選擇提供參考。

1 數值模型建立

1.1 模型基本假定

依托于遵秦高速公路某標段含有管樁與袋裝砂井組合型復合地基的工程實例，建立正方形布樁的樁土復合地基模型，地基寬度取120m，高度取25m，土層邊坡坡比為1∶1.5，其中路堤頂寬取36m。為了計算方便，現進行以下假定。

1)對路堤進行取半分析，建立半對稱數值模型，按平面應變問題進行分析。

2)填土和地基土均為彈塑性，樁間土變形為一維壓縮性。

3)以Berrum理論公式計算樁側摩阻力；復合地基在一定深度處存在等沉面，由于存在負摩阻力，將等沉面設在正摩阻力與負摩阻力的分界面。

1.2 模型邊界條件

為了確保計算精度，模型邊界需設置一定的約束條件。模型頂面為自由邊界，底部為水平與豎直方向位移約束邊界，左、右兩側為水平方向位移約束邊界，不限制豎直位移。將常水位線設于軟土層頂部邊界，模型左、右兩側和底部邊界均限制滲流。

1.3 模型參數取值

1.3.1土層參數

各土層土體參數指標取自該標段工程地質勘察報告中各土層設計參數建議值，如表1所示。軟土層采用修正劍橋模型，其他土層采用莫爾-庫侖模型，其中路堤填土高度和軟土深度均為8m，為滿足工況需求，以1m為填筑高度，分層填筑。

表1 各土層土體參數指標

1.3.2樁體參數

路堤穩定性有限元計算為二維平面問題，樁體采用線彈性模型，要將實際三維樁體轉化為二維等效板體，依據Reissner-Mindlin理論的5結點梁單元來等效轉化，等效前、后的復合地基豎向剛度相同，樁體計算參數指標如表 2所示。

表2 樁體計算參數

1.4 模型建立

基于在管樁間打設袋裝砂井情況及上述參數，最終確定二維有限元計算模型，如圖 1所示。在Plaxis軟件中采用排水線模擬砂井，用板單元模擬管樁，使用界面單元并考慮摩擦特性。由于所分析問題具有對稱性，只考慮模擬右半邊。為提高計算精度和收斂性，對復合地基模型進行了加密規則劃分，網格劃分情況如圖 2所示。

圖1 管樁與袋裝砂井組合型復合地基計算模型

圖2 網格劃分示意

1.5 計算步驟

為了研究袋裝砂井與管樁組合的作用效果并進行對比，需討論只有袋裝砂井和管樁單獨存在、改變管樁和袋裝砂井施工順序所帶來的影響，考慮計算步驟建立4種模型。各模型的計算步驟如表3所示。將以下各步驟在Plaxis中模擬計算，然后進行計算結果分析。

表3 各模型的計算步驟

2 計算結果及分析

2.1 固結分析

由太沙基有效應力原理可知，固結主要是軟土中的超靜孔隙水壓力消散、有效應力增加的過程[21]，土體從而得到加固，超靜孔隙水壓力的增長與消散規律反映了地基排水固結特性和有效應力的變化規律。選擇淤泥層中部接近路基中線的A點處，分析超靜孔隙水壓力與時間的關系，如圖3所示。

由圖3可知，在袋裝砂井的處理下，超靜孔隙水壓力出現反彈現象；而在管樁的影響下，反彈現象消失，隨著地基填土荷載的增加，超靜孔隙水壓力一直增大，當荷載施加完后達到最大值，之后超靜孔隙水壓力逐漸減小，所需時間要小于單獨用袋裝砂井處理的時間。模型2超靜孔隙水壓力增加和消散速率均比模型3慢，這是因為在施工管樁過程中，土體受擠壓使超靜孔隙水壓力增大，袋裝砂井加快了排水，從而導致超靜孔隙水壓力消散速率較快。

圖3 各模型超靜孔隙水壓力與時間的關系

模型3超靜孔隙水壓力消散比模型4快，管樁與袋裝砂井組合的超靜孔隙水壓力小且消散很快，先增大至12kPa后減小至0，這是由于管樁承擔了上部荷載，導致A點的總應力減小，超靜孔隙水壓力減小，這種減小是相對的，相比原始狀態還是有所增加，有效應力也在增加，也說明了袋裝砂井在排水方面起著重要作用。

2.2 沉降分析

2.2.1路堤總沉降分析

為分析路堤總沉降的變化規律，取地表路堤處3個固結階段分析路堤總沉降，如圖4所示。

圖4 各模型沉降與距路堤中心距離的關系

由圖4可知，各模型路堤總沉降隨著與路堤中心距離的增大而逐漸減小，在距路堤中心約60m處沉降為0。在3個固結時間段中，模型1的沉降量均最大，袋裝砂井使孔隙水壓力消散，地基發生固結，但不能減小路堤總沉降；模型2，3，4的沉降變化均勻，受時間因素影響較小，不會因太大的沉降差異而造成失穩現象，

組合處理的沉降稍大于單獨用管樁處理的沉降，由于袋裝砂井加速了軟土固結導致沉降變大。模型3與模型4處理方式下的總沉降相差不大，沉降小，同時能避免出現沉降盆所帶來的危害，但是在固結的3個階段，模型4的沉降要稍大于模型3，沉降差隨著與路堤中心距離增大先逐漸增大后減小，說明先施工砂井加快了軟土固結。

2.2.2時間-沉降分析

同樣取軟土層中部靠近路基中心線的一點，分析此處沉降隨時間變化規律，如圖5所示。

圖5 各模型沉降與時間的關系

由圖5可知，模型3與模型4的變化曲線基本重合，說明施工順序對路堤中心的沉降影響不大。模型1在固結過程中沉降增幅最大，一旦有荷載增加，沉降很明顯，此時地基中只存在袋裝砂井而沒有樁體承載，孔隙水壓力消散很快，地基固結較快，所以沉降增加明顯。模型2的關系曲線變化最緩慢，這是由于沒有排水作用導致孔隙水壓力消散很慢，但模型2的沉降量小于模型1的沉降量，打設袋裝砂井后土體固結所需時間也明顯縮短。在地基中打設樁體后沉降量明顯降低，這也反映管樁在承受上部荷載方面起到了重要作用。

2.3 穩定性分析

通過有限元強度折減法來分析路基穩定性，設計路基需要考慮路基的最終穩定性，還要考慮填筑過程的穩定性。通過4種模型在不同施工階段的安全系數來研究各處理方法對路基穩定性的影響，結果如表4所示。

表4 不同模型不同施工階段的安全系數

由表4可知，4種模型的安全系數在施工階段是不斷變化的，均隨荷載的增加而逐漸減小，當路面結構層施工完成后達到最小值。由此可見，路基失穩是在開始加載后不斷發展的，施加完荷載后的安全系數最小，因此不同模型的安全系數增幅不同，模型2，3，4的安全系數增幅均大于模型1，說明管樁起到了重要作用；模型3，4最后階段的穩定系數幾乎相同，且最后增幅也相近，這反映了不同施工順序對路基穩定性影響很小；打設管樁使路基穩定性提高了很多，說明樁體復合地基不僅提高承載力，還提高了路基穩定性。

2.4 樁側摩阻力分析

取樁頂荷載20，60，100，140kPa為4種工況，樁側摩阻力與樁頂荷載的關系如圖6所示。

圖6 不同樁頂荷載對樁側摩阻力的影響

由圖6可知，該3種模型的樁側摩阻力均隨樁頂荷載的增加而不斷增大，沿樁身從上往下出現了負摩阻力區、過渡區和正摩阻力區。隨樁頂荷載的增加，樁側摩阻力表現為負摩阻力逐漸減小，正摩阻力逐漸增加的過程，最大樁側摩阻力在深度7m左右。模型3，4的樁側摩阻力變化規律和數值大小很接近，施工順序不同并未改變樁間土的狀態。模型2的中性點位置高于模型3，4的中性點位置，中性點位置不斷上升，負摩阻力區變小而正摩阻力區增大，這是由于路堤填筑較高時，樁間土已經形成了土拱，樁體承擔大部分的路堤荷載而樁間土承擔了小部分荷載，所以樁體沉降值增長較快而樁間土沉降值增長較慢，導致樁間土相對于樁體有向上的相對位移。路堤荷載一直增加，此時地基土的固結還未完成，樁頂荷載成為影響樁側摩阻力的主要因素，隨著荷載的增加，樁側摩阻力的變化逐漸趨于穩定。

樁周土既不產生正摩阻力又不產生負摩阻力的位置即為中性點[22]。分析中性點位置變化可以反映樁側摩阻力變化與樁身受力情況，如圖7所示。

圖7 中性點深度與時間的關系

由圖7可知，有無袋裝砂井的變化規律基本一致，有袋裝砂井的情況能稍微提高中性點的位置。中性點隨著路堤填筑先下降然后逐漸向上移動，之后在100d后又下降。這是由于路堤填筑高度較低時，樁間土還未形成完整的土拱，樁間土所受荷載逐漸增大，樁間土沉降值增大較快而樁體沉降值增大較慢，樁間土相對于樁體有向下移動的趨勢。而當路堤填筑高度較高時，路堤填土中已形成完整的土拱，樁間土所受荷載變化很小，樁體承擔了大部分的路堤荷載而樁間土只承擔了小部分，樁體沉降值增大較快而樁間土沉降值增大較慢，樁間土相對于樁體有向上的移動趨勢。

3 結語

1)軟土復合地基的固結沉降變化規律與處理方式有很大的關系。僅用袋裝砂井處理的超靜孔隙水壓力會出現反彈，打設管樁會使反彈現象消失。組合型復合地基處理方法具有優越性：超靜孔隙水壓力小，超靜孔隙水壓力消散很快；不同施工順序處理下的超靜孔隙水壓力均先增大至12kPa后減小，而先施工管樁的消散更快。

2)僅用袋裝砂井處理的路堤中心沉降是僅打設樁體的7.5倍左右，應用管樁后的沉降變化均勻，受固結時間影響較小。組合處理具有沉降小優點的同時能避免沉降盆所帶來的危害，沉降受施工順序的影響不大，先施工管樁的沉降要稍小于先施工袋裝砂井，兩者沉降差隨著與路堤中心距離的增大先逐漸增大后減小。

3)路堤安全系數隨荷載的增加而逐漸減小，在路面結構層施工完成后達到最小值。打設管樁后的安全系數增幅均大于僅用袋裝砂井的情況，施工順序對路堤穩定性影響很小。不同加載施工期的穩定性差別較大，需重視加載過程；袋裝砂井所需固結時間較長，因而需提前填筑路堤，有必要在軟土充分固結后再修筑路面結構物。

4)打設袋裝砂井能稍微提高中性點位置，中性點位置隨路堤填筑先逐漸下降后向上移動，之后在100d后又下降。在土體固結前，樁側摩阻力與樁頂荷載呈正相關。當路基填筑完成后，土體固結使土體強度增加，此時土體固結是影響樁側摩阻力的主要因素。