尹檢亮，張國祥

粉噴樁復(fù)合地基大剛度墊層特性研究

尹檢亮1，張國祥2

(1. 中南大學(xué) 基建處，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

復(fù)合地基承載力和剛度與墊層厚度和材質(zhì)等密切相關(guān)，常規(guī)墊層的合理厚度和材質(zhì)基本是靠經(jīng)驗(yàn)選值，缺少理論依據(jù)。為此本文提出用大剛度塊石墊層提高道路軟土復(fù)合地基剛度的新方法，推導(dǎo)出新的墊層最小厚度理論公式。通過有限差分軟件分析和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對比，探討道路粉噴樁復(fù)合地基大剛度墊層受力變形特點(diǎn)。數(shù)值分析結(jié)果表明：對于道路復(fù)合地基上大剛度墊層，墊層剛度提高明顯降低路基表面彎沉值，以及存在合適的墊層剛度和厚度能讓粉噴樁復(fù)合地基的力學(xué)性能效果達(dá)到最佳?，F(xiàn)已成功地將大剛度塊石墊層方法應(yīng)用于常德安鄉(xiāng)大道低液限粉土粉噴樁復(fù)合地基墊層處理，道路運(yùn)行多年?duì)顩r良好。

大剛度塊石墊層；粉噴樁復(fù)合地基；墊層厚度；承載力特性

粉噴樁復(fù)合地基加固新技術(shù)具有施工簡單、效率高、速度快、加固費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，近年來越來越受到工程界的青睞，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員已經(jīng)對復(fù)合地基進(jìn)行了詳細(xì)的研究，其理論已趨于完善[1?2]。但是對褥墊層的研究卻很少，尤其是缺少對大剛度墊層的研究。這是由于褥墊層的破壞機(jī)理很復(fù)雜，很難模擬其工作狀態(tài)，而墊層又是復(fù)合地基的重要組成部分，墊層剛度和厚度對粉噴樁復(fù)合地基承載性能有著直接的影響。已有的研究成果[3?5]只是給出墊層模量和厚度一種估計(jì)的取值范圍，并沒有重點(diǎn)研究大剛度墊層作用下，墊層厚度對復(fù)合地基的承載性能和樁土應(yīng)力的影響。對于一般的墊層，學(xué)者們認(rèn)為，墊層厚度太小，樁體對基礎(chǔ)產(chǎn)生應(yīng)力集中，墊層厚度過大，會導(dǎo)致樁?土應(yīng)力比偏小，樁體承擔(dān)的荷載太小，不能充分發(fā)揮樁體作用。本文結(jié)合湖南常德安鄉(xiāng)大道低液限粉土地基加固工程，采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，針對復(fù)合地基大剛度墊層不同的厚度和剛度對粉噴樁復(fù)合地基承載性能、樁土應(yīng)力的影響進(jìn)行了深入探討，確定了經(jīng)濟(jì)合理的墊層厚度，最終采用大塊石墊層處理方案，成功解決了粉噴樁復(fù)合地基處理后路基頂面彎沉達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的難題，該城市道路運(yùn)行5年后狀況依然很好。

1 墊層合理厚度的確定

由于復(fù)合地基的最佳荷載比是在極限荷載下，樁土同時進(jìn)入塑性狀態(tài)，因此合理的設(shè)置墊層可以使復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比達(dá)到此最佳狀態(tài)[19?20]。當(dāng)墊層厚度足夠大時，由于樁?土模量的差異，在墊層底面樁間土上部墊層的沉降大于樁頂上墊層的沉降，此差異沉降隨高度的增加而減小。在某一高度h處，此差異沉降減小為0，高度h以上的墊層，對復(fù)合地基不再有調(diào)節(jié)作用，可將h認(rèn)為是墊層的最小的厚度。當(dāng)墊層厚度大于此厚度時，能保證墊層頂部的基礎(chǔ)不會產(chǎn)生不均勻沉降[21]。

如圖1所示，設(shè)墊層作用均布荷載大小為0，墊層材料內(nèi)摩擦角為，黏聚力為0，重度為，粉噴樁樁徑為，粉噴樁的置換率為，樁體頂處樁土應(yīng)力比為。樁和樁間土的應(yīng)力分別為p和s，將樁體上部墊層簡化為直徑等于樁徑的圓柱體，取高度為的墊層上部土柱體為研究對象。

圖1 樁頂墊層作用力示意圖

則墊層樁土之間的側(cè)摩阻力表示為：

則墊層隔離體的平衡方程為：

考慮墊層的重力，則滿足：

將式(4)代入式(3)，解得最小墊層厚度：

在湖南常德安鄉(xiāng)大道修建中，采用粉噴樁對低液限粉土地基進(jìn)行了地基處理加固，樁間距為1.2 m，樁徑=0.5 m，采用正方形布樁，樁頂面處樁土設(shè)計(jì)應(yīng)力比=8，置換率=0.136，墊層材料內(nèi)摩擦角為=40°，按式(5)計(jì)算的最小墊層厚度為

該最小墊層計(jì)算厚度為0.453 5 m，非常接近實(shí)際需要的墊層厚度為0.5 m，說明式(5)可用于計(jì)算最小墊層厚度。

文獻(xiàn)[21]的最小墊層厚度計(jì)算公式計(jì)算為

按式(7)計(jì)算的最小墊層厚度為

該最小墊層厚度的計(jì)算值與實(shí)際需要的的墊層厚度0.5 m相差較大。

2 大剛度墊層幾何模型的數(shù)值模擬

2.1 場地地質(zhì)情況及地基處理方法

新建湖南常德安鄉(xiāng)大道道路路基位于低液限粉土地基，屬于軟土地基上，路面寬度60 m，長7km多，城市一級主干道要求，且要求路面標(biāo)高與現(xiàn)有地面標(biāo)高一致，地下水位位于地面以下只有0.5 m。盡管路基的基礎(chǔ)進(jìn)行了粉噴樁地基加固處理，采用常規(guī)填碎石墊層處理后復(fù)合地基剛度仍然不足，仍出現(xiàn)推土機(jī)不能上去的現(xiàn)象，為此，采用大剛度塊石墊層以提高路基頂面的剛度，塊石是直徑大于200 mm的顆粒占50%以上，要求級配良好。從而使得路基面的彎沉達(dá)到設(shè)計(jì)要求值(平均值200單位，代表值：250單位，2.5 mm)。

首先采用粉噴樁處理軟土地基，深層攪拌樁樁長7 m，樁端進(jìn)入③層約1 m。樁間距為1.2 m，樁徑=0.5 m，采用正方形布樁，樁頂面處樁土應(yīng)力比=8，置換率=0.136。

表1 模型基本參數(shù)取值

2.2 計(jì)算模型的建立

粉噴樁復(fù)合地基采用的幾何模型，如圖2和圖3所示，考慮復(fù)合地基以外的土體對復(fù)合地基的影響，向外延伸1.2 m，路基深度方向取2倍的樁長14 m。粉噴樁樁體采用柱體網(wǎng)格的實(shí)體單元，樁間土和持力層都采用柱形外圍漸變放射網(wǎng)格，并且樁端以下土體網(wǎng)格部分為實(shí)體填充，路基側(cè)面未加固部分土體采用六面塊體實(shí)體單元網(wǎng)格。幾何模型繪制時，首先將樁體和土體分開建立，然后在樁土接觸部分建立接觸面，最后把樁體移到指定的位置。最終建立網(wǎng)格單元有22 232個，節(jié)點(diǎn) 24 747個的幾何模型。

模型基本假定：

1) 樁和土體為理想的各向同性彈塑性體，其中土體和墊層均采用Mohr-Coulomb模型；

2) 在樁身和樁端分別設(shè)置了樁土接觸面，接觸面模型采用庫倫滑動模型，土體和墊層都采用彈性本構(gòu)關(guān)系；

3) 深層攪拌樁為彈性樁；

4) 考慮地下水對地基土力學(xué)參數(shù)的影響。

單位：m

圖3 粉噴樁復(fù)合地基幾何模型

2.3 墊層模量對粉噴樁復(fù)合地基的影響

為了充分發(fā)揮復(fù)合地基的承載力，降低地基整體沉降，需要在樁及樁間土頂部鋪設(shè)墊層，墊層厚度一般取15~50 cm。本模型計(jì)算對安鄉(xiāng)大道采用不同剛度墊層時粉噴樁復(fù)合地基所表現(xiàn)出不同性狀進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖4為當(dāng)墊層厚度為50 cm，模量分別為10，30，60，80，100，120以及180 MPa時的帶墊層復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)的數(shù)值模擬結(jié)果對比。

可以看出，當(dāng)墊層模量小于60 MPa時，隨著墊層模量的增大，復(fù)合地基的承載性能改善較為明顯；但當(dāng)墊層模量大于60 MPa時，墊層模量的變化對復(fù)合地基承載性能的影響不再明顯。這是因?yàn)?，對于柔性荷載下的復(fù)合地基，由于墊層剛度的增加會減小樁體對墊層的刺入量，提高樁體的荷載承擔(dān)比，從而一定程度上增大了樁土應(yīng)力比，提高了柔性荷載下的復(fù)合地基承載性能。但是，對于復(fù)合地基來說，墊層的剛度也不是越大越好，當(dāng)墊層剛度過大時，復(fù)合地基類似于樁基礎(chǔ)，樁土應(yīng)力比達(dá)到穩(wěn)定，極限荷載狀態(tài)下樁體會發(fā)生應(yīng)力集中而先于樁間土體進(jìn)入塑性狀態(tài)。此時，增大墊層剛度不但達(dá)不到改善復(fù)合地基承載性能的目的，反而浪費(fèi)了建筑材料，降低了經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 墊層模量不同時粉噴樁復(fù)合地基的荷載沉降對比圖

圖5~8為當(dāng)墊層厚度為50 cm，墊層剛度分別為10，60，100和180 MPa時，粉噴樁復(fù)合地基在不同荷載水平下的樁體軸向附加應(yīng)力數(shù)值模擬分布圖。

圖5 Ec=10MPa時的樁體應(yīng)力

圖6 Ec=60 MPa時的樁體應(yīng)力

圖7 Ec=100 MPa時的樁體應(yīng)力

圖8 Ec=180MPa時的樁體應(yīng)力

由圖5~8可以看出，當(dāng)墊層厚度為50 cm時，荷載在樁體上的傳遞規(guī)律為：樁頂部位的樁單元應(yīng)力值較小，當(dāng)樁體深度為1 m左右時，樁體應(yīng)力值達(dá)到最大值，之后隨著深度的增加，樁體應(yīng)力值減小。也就是說，墊層厚度為50 cm，墊層模量不同時，荷載作用下應(yīng)力最大值出現(xiàn)在離樁頂為1 m左右部位。

2.4 墊層厚度對粉噴樁復(fù)合地基的影響

墊層的厚度也是墊層設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，粉噴樁復(fù)合地基中設(shè)置墊層時，當(dāng)墊層厚度不同時，也會引起復(fù)合地基承載性能的變化。圖9為墊層剛度為10 MPa時，厚度分別為10，30，50和100 cm情況下帶墊層復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)數(shù)值模擬的荷載沉降曲線對比圖。

圖9 墊層厚度不同時粉噴樁復(fù)合地基的荷載沉降對比圖

從圖9可以看出，相對于墊層模量，墊層厚度對粉噴樁復(fù)合地基的承載性能的影響較為明顯。當(dāng)墊層厚度為10 cm時，復(fù)合地基帶墊層靜荷載模擬試驗(yàn)的沉降曲線類似單樁靜荷載試驗(yàn)的沉降曲線，這是由于墊層厚度過薄，不足以調(diào)節(jié)樁土之間的沉降差異，導(dǎo)致墊層破壞，樁與土分別受荷，未形成復(fù)合地基。當(dāng)墊層厚度大于30 cm時，隨著墊層厚度的增加粉噴樁復(fù)合地基的承載性能明顯改善，但相對來說，墊層厚度也不宜過大，因?yàn)楫?dāng)墊層厚度過大時會因墊層本身的壓縮變形增大影響復(fù)合地基的變形。圖10~12為墊層剛度為100 MPa，厚度分別為300，500和700 mm時，粉噴樁復(fù)合地基在不同荷載作用下對應(yīng)的粉噴樁樁體不同深度的軸向附加應(yīng)力分布圖。

圖10 Hc=300mm時的樁體應(yīng)力

圖11 Hc=500mm時的樁體應(yīng)力

圖12 Hc=700mm時的樁體應(yīng)力

從圖11~12可以看出，相對于墊層剛度，墊層厚度的對粉噴樁復(fù)合地基中粉噴樁樁體附加應(yīng)力的影響更加明顯。當(dāng)墊層厚度小于500 mm時，樁體的附加應(yīng)力隨著墊層厚度的增加而增大，附加應(yīng)力在樁體上的分布基本未變，樁身的附加應(yīng)力最大值均位于樁頂以下1 m左右的位置。當(dāng)墊層厚度大于500 mm時，粉噴樁樁體上的應(yīng)力仍然隨著墊層厚度的增加而增加，但樁體應(yīng)力在深度上的分布有所變化，樁體的應(yīng)力最大值位置處于樁頂。這說明當(dāng)墊層厚度大于500 mm時，粉噴樁樁樁頂發(fā)生應(yīng)力集中。這說明對于墊層模量為100 MPa大剛度墊層來說，墊層厚度不宜大于500 mm，否則在荷載作用下樁頂發(fā)生應(yīng)力集中，達(dá)不到復(fù)合地基的樁土共同受力效果。

2.5 墊層剛度對路基回彈彎沉的影響

對于道路路基來說，回彈彎沉是衡量路基整體使用性能的重要指標(biāo)。在安鄉(xiāng)大道路基工程中，在鋪設(shè)大剛度墊層的路基頂面進(jìn)行了大量的回彈彎沉的試驗(yàn)。本文采用前面的計(jì)算模型，針對粉噴樁復(fù)合地基的大剛度墊層回彈彎沉進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

回彈彎沉模擬試驗(yàn)考慮對稱原則采用的荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載下的單側(cè)荷載作用，通過數(shù)值模擬得出單側(cè)車輪荷載下的彎沉值，再用疊加法算的標(biāo)準(zhǔn)軸載下任意一點(diǎn)的彎沉值。圖13為H=500 mm時不同墊層模量的路基彎沉曲線。

圖13 Hc=500 mm時不同墊層模量的路基彎沉曲線

從圖13可以看出，當(dāng)墊層厚度以及復(fù)合地基樁長、樁間距等其他條件不變時，墊層剛度的變化對路基彎沉值的影響最為明顯。特別是當(dāng)粉噴樁復(fù)合地基墊層剛度小于60 MPa時，路基的最大彎沉迅速增大。安鄉(xiāng)大道粉噴樁復(fù)合地基鋪墊層處理后，設(shè)計(jì)要求彎沉平均值小于200單位。經(jīng)現(xiàn)場荷載試驗(yàn)常規(guī)的碎石墊層彈性模量只有30 MPa，計(jì)算最大彎沉值可達(dá)270單位，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求(200單位)；而大剛度塊石墊層的彈性模量可達(dá)100 MPa，計(jì)算最大彎沉值只有150單位，可滿足設(shè)計(jì)要求，而現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測彎沉的平均值為150~200單位，彎沉代表數(shù)值為200~250單位，與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果非常接近，這正是安鄉(xiāng)大道粉噴樁復(fù)合地基需要采用大剛度墊層的原因。

3 結(jié)論

1) 基于墊層—樁相互作用機(jī)制，復(fù)合地基的最佳荷載是在極限荷載下，樁土同時進(jìn)入塑性狀態(tài)，設(shè)置合理的墊層可以使復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比達(dá)到最佳狀態(tài)。墊層的厚度與樁土應(yīng)力比、置換率、樁徑、墊層材料有關(guān)，用本文推導(dǎo)的計(jì)算公式得出的褥墊層厚度更有利更大限度的發(fā)揮樁和樁間土的承載力，并減小基地的應(yīng)力集中。

2) 對于墊層剛度較大的復(fù)合地基，在墊層剛度確定的情況下，墊層厚度的變化對復(fù)合地基承載性能以及樁體的附加應(yīng)力的影響是比較的明顯，墊層厚度的增加，使得墊層的調(diào)節(jié)作用發(fā)揮越來越充分，當(dāng)厚度達(dá)到某一厚度時，墊層的調(diào)節(jié)作用達(dá)到最大值，再增加墊層的厚度將不再起到調(diào)節(jié)作用，反而會起不到控制沉降的作用，還會引起樁頂?shù)膽?yīng)力集中，也會造成工程經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)。

3) 在道路粉噴樁復(fù)合軟土地基鋪設(shè)墊層時，墊層模量不宜小于60 MPa，否則路基的彎沉值達(dá)不到規(guī)范要求，墊層的厚度也不宜大于700 mm，否則樁頂會發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致樁間土的承載力得不到發(fā)揮，進(jìn)而影響粉噴樁復(fù)合地基的承載力。

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Study on large-stiffness cushion in dry jet mixing pile composite foundation

YIN Jianliang1, ZHANG Guoxiang2

(1. Infrastructure Construction Department, Central South University, Changsha 410075, China 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

This paper presented a new method to improve the stiffness of road soft soil composite foundation with block stone cushion of high stiffness and deduced a new theoretical formula for determining the minimum thickness of the cushion. The bearing capacity and stiffness of the composite foundation are closely related to the thickness and material quality of the cushion. Based on the analysis of finite difference software and the comparison of field test results, the stress and deformation characteristics of the high-stiffness cushion in the composite foundation of powder grouting piles were discussed. Numerical analysis shows that for the high-stiffness cushion layer on the composite road foundation, increasing cushion stiffness significantly reduces roadbed surface deflection, and there exists optimal pad stiffness and thickness that result in optimal mechanical performance of composite foundation with powder jet piles. This high-stiffness stone cushion technique has been successfully applied in the Changde-Anxiang road construction project to treat the low liquid limit silt by using the composite foundation with powder jet piles, which has helped to maintain satisfactory road serviceability for several years.

high stiffness block stone cushion; dry jet mixing pile composite foundation; thickness of cushion; bearing capacity characteristics

TU411.7

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0341 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190337

2019?04?26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578550)

張國祥(1962?)，男，湖南邵陽人，教授，博士，從事巖土工程和高性能有限元理論研究；E?mail：gxzh@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)