高置換率碎石樁復(fù)合地基的樁土共同工作分析

摘要：以某大直徑振沖碎石樁地基處理工程為例，通過現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)和數(shù)值分析兩種方法，對(duì)碎石樁復(fù)合地基的樁土共同作用機(jī)理以及樁土應(yīng)力比、樁土荷載分擔(dān)比等隨置換率的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)置換率m≤7%時(shí)，復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比在1.5～4.0之間變化，與《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ792012中的建議值基本一致，樁土應(yīng)力比、樁的荷載分擔(dān)比及復(fù)合地基承載力均會(huì)隨置換率的增大而提高；高置換率條件下，復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比可達(dá)到10左右，樁的荷載分擔(dān)比會(huì)超過70%。研究所得結(jié)論，對(duì)碎石樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：碎石樁復(fù)合地基；樁土應(yīng)力比；置換率；共同工作；數(shù)值分析

碎石樁因其具有良好的振密、擠密及排水效果等特點(diǎn)，在處理沿海港口工程軟弱及可液化地基中有著十分廣泛的應(yīng)用［14］。工程設(shè)計(jì)中，合理確定碎石樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比至關(guān)重要。《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）JGJ792012規(guī)定：對(duì)振沖碎石樁、沉管砂石樁復(fù)合地基，當(dāng)無實(shí)測(cè)資料時(shí)，樁土應(yīng)力比對(duì)于黏性土可取2.0～4.0，對(duì)于砂土、粉土可取1.5～3.0。實(shí)踐表明，這一規(guī)定對(duì)低置換率碎石樁復(fù)合地基應(yīng)是合理的；當(dāng)置換率較大時(shí)，此類復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比可能會(huì)遠(yuǎn)大于規(guī)范的建議值。本文依托某大直徑碎石樁地基處理工程，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬兩種手段相結(jié)合，研究碎石樁復(fù)合地基的樁—土共同作用機(jī)理及樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比等隨置換率的變化規(guī)律，以期為碎石樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論的進(jìn)一步完善和工程應(yīng)用提供參考。

1工程條件與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1地質(zhì)條件

由地質(zhì)勘察資料可知，試驗(yàn)場(chǎng)地為填海造地而成，以砂類土為主，土質(zhì)松散，承載能力差，可液化土層厚度為12.5m。場(chǎng)地上覆土層可簡(jiǎn)化為三層，除地表層為回填細(xì)砂外，其余兩層主要由第四系全新統(tǒng)濱海相沉積砂土構(gòu)成，下臥中等風(fēng)化的砂巖，各層土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。地下水位平均埋深1.82m。

1.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

采用大直徑高置換率振沖碎石樁對(duì)地基進(jìn)行處理，以消除場(chǎng)地土的液化。采用正方形布樁，樁間距為2m，樁徑1.1m，樁長(zhǎng)為12.5m，置換率為23.7%。為揭示復(fù)合地基實(shí)際工作性狀，本次試驗(yàn)共進(jìn)行了3組單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，并預(yù)埋土壓力盒。采用特征點(diǎn)法測(cè)試樁頂、樁間土應(yīng)力及樁土應(yīng)力比，鋪設(shè)300mm厚碎石墊層（與設(shè)計(jì)同）。土壓力盒埋設(shè)于墊層頂部，自樁邊緣到承壓板邊緣依次埋設(shè)，見圖1。將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到具有代表性的復(fù)合地基PS曲線與平均樁土應(yīng)力比，如圖2、圖3所示。

2數(shù)值分析模型

為揭示碎石樁復(fù)合地基的樁—土共同工作機(jī)理，采用FLAC3D軟件，建立了碎石樁復(fù)合地基三維數(shù)值分析模型，采用三維圓柱體網(wǎng)格和圓柱體外環(huán)繞放射網(wǎng)格［4］對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行離散，如圖4所示。模型中褥墊層厚度為0.30m，含9根碎石樁，樁長(zhǎng)12.5m，樁徑為1100mm。

模型邊界設(shè)置：樁端砂巖為剛性持力層；樁土之間設(shè)有接觸面，模擬樁土之間的摩阻力、端阻力和相對(duì)滑移；考慮加載過程應(yīng)力與變形影響范圍，模型的三維尺寸選取為18m×18m×25m，根據(jù)對(duì)稱性，選取模型的1/4進(jìn)行計(jì)算；模型底面和四個(gè)側(cè)面均限制其法向位移，模型頂面為自由面。

加載方式：采用分步加載，每級(jí)荷載增量為50kPa，最大一級(jí)荷載為800kPa。墊層、碎石樁和土層均服從摩爾庫倫本構(gòu)模型，模型參數(shù)見表2和表3。

3試驗(yàn)及數(shù)值結(jié)果分析

3.1樁土應(yīng)力比n

圖5給出了實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算得到的樁土應(yīng)力比隨荷載變化的曲線，兩者基本吻合。由圖5可知，碎石樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比n并非常數(shù)，而是隨著荷載的增加不斷發(fā)生變化，其變化范圍在8.5～11.5之間，平均值為10左右，遠(yuǎn)大于《規(guī)范》JGJ792012中建議的1.5～3.0的經(jīng)驗(yàn)值。隨著荷載的增加，n值整體上呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。在加載的初期，荷載小于100kPa時(shí)，n值增長(zhǎng)最快，說明樁周軟土很快進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力逐漸向碎石樁樁頂集中，直至樁間土不能提供足夠的圍壓，導(dǎo)致樁體發(fā)生過大的側(cè)向變形，從而產(chǎn)生樁體的鼓脹破壞，樁土應(yīng)力比達(dá)到最大值，進(jìn)而引起復(fù)合地基全面破壞，樁土應(yīng)力比隨之下降。

3.2樁土荷載分擔(dān)比

樁土荷載分擔(dān)比反映了不同荷載等級(jí)條件下，碎石樁與樁間土所承擔(dān)荷載的彼此消長(zhǎng)情況。經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基荷載試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的整理發(fā)現(xiàn)，碎石樁與樁間土荷載分擔(dān)曲線幾乎是平行的，圖6給出了樁土荷載分擔(dān)比隨荷載的變化規(guī)律。由圖6可知，在整個(gè)受荷過程中碎石樁始終分擔(dān)了70%以上的荷載。

3.3置換率m對(duì)樁土應(yīng)力的影響

為考慮置換率對(duì)碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力的影響，本文模擬了在布樁方式與樁間距不變情況下，樁土應(yīng)力比和碎石樁荷載分擔(dān)比隨置換率的變化情況。圖7和圖8分別給出了在不同置換率條件下，樁土應(yīng)力比和碎石樁荷載分擔(dān)比隨荷載的變化曲線。圖9給出了不同置換率下的荷載沉降PS關(guān)系曲線。由圖7～圖9可總結(jié)出如下規(guī)律：

（1）不同置換率下的樁土應(yīng)力比變化規(guī)律基本一致。在加載初期樁土應(yīng)力比n急劇增大，當(dāng)復(fù)合地基承載力達(dá)到比例界限值時(shí)，樁土應(yīng)力比n達(dá)到峰值，然后，隨荷載的增大而逐漸減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

（2）相同荷載水平條件下，樁土應(yīng)力比和樁的荷載分擔(dān)比隨置換率的增大而增大。當(dāng)置換率m≤7%時(shí)，碎石樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比在1.5～4.0之間變化，這與《規(guī)范》JGJ792012中的建議值基本一致。在本文所設(shè)條件下，當(dāng)置換率m≥12.6%時(shí)，復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比n≥4；當(dāng)置換率m≥20%時(shí)，復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比n＞8，且碎石樁的荷載分擔(dān)比會(huì)超過70%。

（3）當(dāng)置換率較小時(shí)，碎石樁除加速固結(jié)作用外，主要是通過振密、擠密樁間土來提高地基承載力。當(dāng)置換率較大（m≥20%）時(shí)，碎石樁復(fù)合地基承載力的提高則以置換作用為主。

（4）碎石樁復(fù)合地基的承載力隨置換率的增大而逐漸增高。

4結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值分析方法，揭示了碎石樁復(fù)合地基的樁—土共同作用機(jī)理及樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比等隨復(fù)合地基面積置換率的變化規(guī)律：

（1）碎石樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比n并非常數(shù)，相同荷載水平條件下，樁土應(yīng)力比和碎石樁的荷載分擔(dān)比隨置換率的增大而增大。當(dāng)置換率m≤7%時(shí)，碎石樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比在1.5～4之間變化，可按《規(guī)范》JGJ792012中的建議值選取。當(dāng)置換率較大時(shí)，如仍按現(xiàn)行規(guī)范選取n值則會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

（2）碎石樁復(fù)合地基的承載力隨置換率的增大而逐漸增高。當(dāng)置換率較小時(shí)，碎石樁除加速固結(jié)作用外，主要是通過振密、擠密樁間土來提高地基承載力。當(dāng)置換率較大（m≥20%）時(shí)，碎石樁復(fù)合地基承載力的提高則以置換作用為主，碎石樁的荷載分擔(dān)比將超過70%。

（3）影響碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比、荷載分擔(dān)比的因素除置換率外，還有地基土質(zhì)條件、碎石樁施工工法、褥墊層厚度及荷載水平等。在工程有必要及條件允許的情況下，還是應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，以保證地基處理方案的優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介：李陽陽（1991—），男，漢族，河北邯鄲人，碩士研究生，工程師，主要從事水利水電工程施工。