周春兒，董華鋼，王年香，徐光明，顧行文，任國峰

（1.廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510050；2.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210029；3.水災(zāi)害防御全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

軟土地基處理是新建港口碼頭、老舊堆場碼頭改造等工程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其對地基變形要求十分嚴(yán)格。若地基處理不當(dāng)，后期在長時間高強(qiáng)度堆載下極易產(chǎn)生不均勻沉降等災(zāi)害，嚴(yán)重影響碼頭和堆場等工程的正常使用。隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，CFG 樁（水泥粉煤灰碎石樁）網(wǎng)復(fù)合地基［1］已成為常見的有效的地基處理方式，并被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域軟土地基處理中［2-3］。

針對樁網(wǎng)復(fù)合地基的研究，眾多學(xué)者在室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方面均取得了較多的科研成果。顧行文等［4］通過離心模型試驗(yàn)對傾斜軟土CFG 樁復(fù)合地基上的路堤破壞模式進(jìn)行了研究；張樹明等［5］通過離心模型試驗(yàn)研究了加固范圍及邊坡坡率對CFG 樁網(wǎng)復(fù)合地基受力變形特性的影響；潘高峰等［6］通過開展全尺寸現(xiàn)場路基填筑試驗(yàn)，對比分析了天然地基和CFG 樁網(wǎng)復(fù)合地基在路基荷載下的側(cè)向變形規(guī)律；Liu 等［7］通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究了荷載作用下不同深度樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路堤側(cè)向變形發(fā)展規(guī)律；姜彥斌等［8］結(jié)合管樁復(fù)合地基現(xiàn)場試驗(yàn)段工程，建立有限元數(shù)值模型，對比了幾種管樁復(fù)合地基單樁建模方法，并基于軸對稱接觸模型結(jié)果對樁網(wǎng)復(fù)合地基受力及變形進(jìn)行了研究；張爽等［9］對高鐵復(fù)合路基進(jìn)行二維及三維數(shù)值模擬，分析了CFG樁參數(shù)對路基沉降的影響。

土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)是一項(xiàng)新型土工物理模型技術(shù)，通過施加在模型上的離心慣性力使模型的容重變大，從而使模型應(yīng)力與原型一致，這樣就可以用模型反映、表示原型。離心模型是各類物理模型中相似性最好的模型，在國內(nèi)外受到廣泛重視，試驗(yàn)技術(shù)飛速發(fā)展，研究內(nèi)容涉及幾乎所有的巖土工程研究領(lǐng)域，已成為巖土工程技術(shù)研究中最主要、最有效、應(yīng)用最廣泛的研究手段［10］，在港口碼頭工程中也得到廣泛應(yīng)用［11］，但在重載碼頭堆場CFG 樁網(wǎng)復(fù)合地基變形與樁土應(yīng)力方面，離心模型試驗(yàn)研究很少。這里利用離心模型試驗(yàn)技術(shù)，研究某碼頭堆場CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基的變形和樁土應(yīng)力變化規(guī)律，驗(yàn)證復(fù)合地基的加固效果。

1 工程概況

某碼頭散貨16#堆場，位于南柳河入?？谧蟀?，堆場東側(cè)距防塵網(wǎng)基礎(chǔ)47 m，西側(cè)距防塵網(wǎng)基礎(chǔ)77 m，南側(cè)距排水溝6 m，北側(cè)距離5#堆取料機(jī)軌道梁基礎(chǔ)5 m，堆場為長1 271.4 m，寬54.5 m 的矩形，實(shí)際堆場面積為69 291 m2。堆場地基采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固，軌道梁基礎(chǔ)和靠近南柳河側(cè)岸坡均采用水泥攪拌樁復(fù)合地基加固。近期，堆場沿縱向中部發(fā)生往南柳河一側(cè)的岸坡推移現(xiàn)象，推移區(qū)長約148 m，往南柳河推移0～20 m。堆場產(chǎn)生不同程度的損壞，必須重新進(jìn)行加固處理，以滿足一次性達(dá)到承載350 kPa的使用要求。

地基土層自上而下為：素填土①2，淤泥質(zhì)黏土②1，粉質(zhì)黏土③4，中粗砂層③2，黏土層④1以及黏土層④2。表1列出了其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，淤泥質(zhì)黏土②1含水率大、抗剪強(qiáng)度低，不能滿足堆場的變形和承載力要求，堆場地基采用樁網(wǎng)復(fù)合地基，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。堆場地基兩側(cè)分別布設(shè)2排長16 m、直徑300 mm的樹根樁，三角形布置，間距1.4 m×1.6 m，樁身強(qiáng)度C30，內(nèi)插直徑133 mm、壁厚5 mm 的無縫鋼管，樁頂采用鋼筋混凝土板塊連成整體。中間布設(shè)直徑350 mm 的CFG 樁，長為13、15、18 m，正方形布置。其中：18 m 長樁的中間6排CFG 樁間距為1.65 m，樁身強(qiáng)度C30；其余CFG 樁間距為1.80 m，樁身強(qiáng)度C25。為加強(qiáng)地基排水，CFG樁間布設(shè)B型塑料排水板，穿透淤泥質(zhì)黏土層。樁間土壓實(shí)后，鋪設(shè)加筋墊層，自下向上為：10 cm厚碎石土，一層編織土工布，兩層單向土工格柵，10 cm 厚碎石，一層土工格室，碎石土，5 cm 厚中粗砂層，15 cm厚六角塊。

圖1 復(fù)合地基剖面圖Fig.1 The profile sketch of composite foundation

表1 地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The physical and mechanical property indicators of foundation soil

2 離心模型試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與模型布置

試驗(yàn)在NHRI400g·t 土工離心機(jī)上進(jìn)行。該機(jī)最大半徑5.5 m，吊籃平臺的尺寸為1.1 m×1.1 m，最大加速度200g，最大負(fù)荷2.0 t，容量400g·t，配有64 路高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。模型箱的有效尺寸為1.20 m×0.8 m×0.4 m（長×高×寬），其一側(cè)為有機(jī)玻璃，便于試驗(yàn)中進(jìn)行監(jiān)控。

取標(biāo)準(zhǔn)剖面按平面問題進(jìn)行試驗(yàn)，模擬地基、CFG 樁、樹根樁、加筋墊層、防塵網(wǎng)和軌道梁基礎(chǔ)、礦石堆載等，綜合各種因素，取模型比尺n=70，模型布置如圖2所示。

圖2 離心模型試驗(yàn)布置Fig.2 The layout of centrifuge model tests

2.2 材料模擬技術(shù)

試驗(yàn)土料取自現(xiàn)場，試驗(yàn)主要研究堆場地基的穩(wěn)定和變形問題，以地基強(qiáng)度指標(biāo)作為主要模擬量，而其他諸如含水率、容重等參量都作為次要參量近似地滿足相似律。為模擬成層地基，根據(jù)容重及厚度求得各層土所需的濕土重，然后經(jīng)過浸飽、拌成泥漿，從底層至上層分層靜壓固結(jié)，按控制強(qiáng)度施加預(yù)壓荷載和作用時間，直至形成整個天然地基土層。至于模型中的中粗砂層和素填土，則控制其密實(shí)度，采用分層壓密而成。

塑料排水板采用直徑3 mm 的透水編織玻纖管內(nèi)灌裝中細(xì)砂的微型袋裝砂井來模擬。試驗(yàn)中，逐根模擬原型中的每一根CFG 樁和樹根樁。樁體受力狀態(tài)主要為受壓，其次為受彎，因此，采用直徑5 mm 實(shí)心竹棒來模擬，滿足抗壓剛度相似要求。模型樁帽采用鋁合金按幾何相似加工制作。加筋墊層的模擬，土工合成材料按2%應(yīng)變時的單寬拉伸力相似原則確定模型材料，通過不同材料拉伸試驗(yàn)，土工布采用土工濾膜模擬，土工格柵和土工格室采用孔徑4 mm塑料網(wǎng)格來模擬。

2.3 測試技術(shù)

沉降和水平位移采用激光位移傳感器測量。5個地基表面沉降測點(diǎn)：Sa1位于防塵網(wǎng)基礎(chǔ)；Sa2位于樹根樁上方；Sa3位于長13 m CFG 樁上方；Sa4位于長18 m CFG 樁上方；Sa5位于軌道梁基礎(chǔ)左擋墻墻頂。2個水平位移測點(diǎn)：Db1位于防塵網(wǎng)基礎(chǔ)中心線，Db5位于軌道梁基礎(chǔ)左側(cè)擋墻側(cè)壁。

樁頂軸力采用應(yīng)變式微型力傳感器測量。在不同長度CFG 樁頂共布置了4 組軸力測點(diǎn)：Tf1 和Tf2 分別位于長13、15 m 的樁頂；Tf3 和Tf4 分別位于長18 m、間距1.80 和1.65 m 的樁頂；每組布置2 個測點(diǎn)進(jìn)行平行測試。

樁間土壓力采用應(yīng)變式微型土壓力盒測量。微型土壓力盒布置在樁頂軸力測點(diǎn)的樁間土中，P1、P2、P3和P4四組土壓力測點(diǎn)對應(yīng)Tf1、Tf2、Tf3和Tf4四組樁頂軸力測點(diǎn)，每組布置2個測點(diǎn)進(jìn)行平行測試。

2.4 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)準(zhǔn)備：制作模型復(fù)合地基中的結(jié)構(gòu)物。

制作模型：制備地基，插入模型樁，插入排水濾芯條，埋設(shè)和安裝傳感器，鋪設(shè)加筋墊層。

恢復(fù)自重應(yīng)力：按堆載速率控制離心機(jī)加速度上升速率至70g，并運(yùn)行120 min，期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

模型試驗(yàn)：鋪設(shè)堆載體，按堆載速率控制離心機(jī)加速度上升速率至70g，并運(yùn)行210 min，相當(dāng)于模擬了原型22.5 d堆載過程，恒載固結(jié)707.5 d，期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 復(fù)合地基變形性狀

下文分析時作了如下約定：沉降向下為正；水平位移指向南柳河側(cè)為正、指向軌道梁側(cè)為負(fù)。堆載期為22.5 d完成堆載時，試堆期為開始堆載至45 d時，恒載時間是指完成堆載后的運(yùn)行時間，2 a責(zé)任期指開始堆載到2 a時。

圖3 為復(fù)合地基表面沉降過程線，表2 列出了不同時間和位置的變形特征值。從圖3 和表2 可以看出：堆載期，隨著堆載高度的增加，復(fù)合地基表面沉降明顯增大，最大平均沉降速率為9.69 mm/d，堆載區(qū)及防塵網(wǎng)基礎(chǔ)和軌道梁基礎(chǔ)沉降均在穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)；堆載高度達(dá)14 m后，進(jìn)入恒載運(yùn)行，復(fù)合地基表面沉降仍隨時間增大，但沉降增量隨時間逐漸減??；恒載運(yùn)行365 d 到2 a 責(zé)任期，最大平均沉降速率為0.19 mm/d，沉降速率很小，表明CFG 樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降變形已趨于穩(wěn)定。最大沉降滿足2 a 責(zé)任期內(nèi)堆場沉降控制在80 cm以內(nèi)的使用要求。

圖3 復(fù)合地基表面沉降過程線Fig.3 Surface settlement-time curves of composite foundation

表2 復(fù)合地基表面變形特征值Tab.2 Key parameters of surface deformation in a composite foundation 單位：mm

圖4 為復(fù)合地基表面沉降沿堆載斷面分布圖，可以看出：在堆場范圍內(nèi)復(fù)合地基表面沉降呈中心大、兩邊小的鍋形分布，最大沉降量在堆載體最高處。

圖4 復(fù)合地基表面沉降分布Fig.4 Surface settlement distribution of composite foundation

從表2 列出的防塵網(wǎng)基礎(chǔ)和軌道梁基礎(chǔ)不同時間的水平位移可以看出：堆載期，水平位移有所增加；恒載期，水平位移緩慢增加；2 a責(zé)任期水平位移變化基本穩(wěn)定，且數(shù)值也不大，方向均指向南柳河側(cè)，不會影響設(shè)備的正常使用。

4 樁土應(yīng)力分析

4.1 CFG樁樁頂軸力

圖5 為復(fù)合地基CFG 樁樁頂軸力過程線，表3 列出了不同時間和位置CFG 樁樁頂軸力特征值?？梢钥闯觯憾演d期，樁頂軸力隨堆載高度的增加幾乎線性增大，上部荷載越大，樁頂軸力也越大；恒載期，隨著樁間土和樁端土層沉降的增加，加筋墊層網(wǎng)逐漸發(fā)揮調(diào)整上部荷載和樁土沉降的作用，樁頂軸力也隨之逐漸調(diào)整，上部荷載越大，樁頂軸力減小越顯著。

圖5 復(fù)合地基CFG樁樁頂軸力過程線Fig.5 Axial force development on the top of CFG piles in a composite foundation

表3 復(fù)合地基CFG樁樁頂軸力特征值Tab.3 Key parameters of the load distribution on the top of CFG piles in a composite foundation

4.2 樁土應(yīng)力比

圖6為復(fù)合地基樁間土壓力過程線，可以看出：堆載期，樁間土壓力隨堆載高度的增加幾乎線性增大，并且達(dá)到最大值，上部荷載越大，樁間土壓力也越大；恒載期，隨著樁間土和CFG 樁之間沉降差的逐漸增大，樁間土壓力逐漸減小，且上部荷載越大，減小幅度也越大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 復(fù)合地基樁間土壓力過程線Fig.6 Earth pressure development between CFG piles in a composite foundation

表4 列出了不同時間和位置樁土應(yīng)力比特征值。由表4 可以看出：堆載期，樁土應(yīng)力比為35.1～43.8，樁土荷載分擔(dān)比為1.07～1.60；恒載期，由于樁間土和CFG樁的沉降差變大，加上加筋墊層網(wǎng)逐漸發(fā)揮調(diào)整上部荷載的作用，樁土應(yīng)力比也逐漸調(diào)整，2 a責(zé)任期樁土應(yīng)力比為25.2～30.5，樁土荷載分擔(dān)比為0.77～1.11，表明加筋墊層網(wǎng)調(diào)整上部荷載的作用比較明顯。

表4 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比特征值Tab.4 Characteristic parameters of the pile-soil stress ratio in a composite foundation

5 結(jié) 語

根據(jù)重載碼頭堆場CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基變形與樁土應(yīng)力的離心模型試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1）復(fù)合地基堆載期最大平均沉降速率為9.69 mm/d，2 a 責(zé)任期最大沉降為573 mm，沉降速率在穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，沉降量滿足使用要求。

2）防塵網(wǎng)和軌道梁基礎(chǔ)的水平位移與沉降均不大，不會影響設(shè)備的正常使用。

3）堆載期，樁頂軸力隨堆載高度的增加線性增大；恒載期，受加筋墊層網(wǎng)調(diào)整上部荷載和樁土沉降的作用，樁頂軸力也隨之逐漸調(diào)整，然后趨于穩(wěn)定。

4）堆載期樁土應(yīng)力比為35.1～43.8，恒載期樁土應(yīng)力比逐漸調(diào)整，2 a責(zé)任期為25.2～30.5。

5）結(jié)果表明，CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基在350 kPa荷載作用下穩(wěn)定安全，滿足使用要求。