褥垫层对CFG 桩复合地基加固作用的分析研究

2013-12-23郭海庆王振宇

三峡大学学报(自然科学版) 2013年2期

郭海庆杨毅王振宇

（1.河海大学土木院岩土工程科学研究所，南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

CFG 桩复合地基因为具有适应性广、质量可靠、施工简单易行、施工工期短等优点，所以被越来越多地应用到地基处理或不良地基改善的工程实践中.CFG 桩复合地基，如图1所示，主要是由褥垫层、桩间土和桩共同构成.CFG 复合地基是20世纪80年代末的一项新技术，近年来在高速公路软基处理中逐渐推广使用，研究和实践表明，在复合地基中设置褥垫层可较好地发挥桩和土的承载力，达到降低工程造价的目的［1－3］.本文通过一系列的理论，分析褥垫层的作用机理并运用FLAC－3D 对复合地基进行模拟，并从其中得出的数据来分析验证褥垫层在地基加固中的重要作用.

图1 CFG 桩复合地基结构体系示意图

1 褥垫层技术理论与最小厚度研究

复合地基在外部荷载的作用下，通过褥垫层的调整均化作用，其各部分之间相互协调、共同工作.褥垫层设计的合理不仅可以减少地基处理成本、保护环境，更重要的是可以充分发挥复合地基承载力以增大复合地基安全系数［4］.本文将对褥垫层厚度进行重点研究，然后在做出一些假定的前提下对桩与桩间土以及褥垫层的最小厚度等重要计算公式进行理论推导.

从上述褥垫层作用机理分析可知［5－6］，褥垫层会受到来自基础上部荷载的压力，由于桩体和土体的压缩模量相差较大，导致桩顶比桩间土承担更多荷载，桩顶应力增大，随着时间不断增加，首先会在桩顶上部褥垫层区域出现相应的塑性区，如图2所示，桩体会在塑性区的作用下慢慢刺入褥垫层中，褥垫层内土体受到桩体入侵破坏会不断流失重组，不断充满空隙以调整桩与桩间土上的荷载分担比例，如果褥垫层的模量较小，即褥垫层相对较“软”，桩体的刺入量太大，桩间土的沉降量不能适应桩体的刺入量，这导致桩体与桩间土不能很好地协同工作，荷载分担比例的调整效果不明显，桩间土的承载力没有充分发挥；如果褥垫层的模量太大，即褥垫层相对较“硬”，那么桩体很难刺入其中，这样桩、土之间的荷载分担比例也不均衡，地基承载力也没有效提高.因此，桩体刺入量的多少或褥垫层的模量就是褥垫层设计的重要条件之一.

图2 桩顶塑性区形成示意图

假设褥垫层及桩间土符合土体变形的运动学假设和流动法则，结合土的塑性上限理论和极限平衡分析理论对土体进行分析.当褥垫层的厚度H 大于破坏面深度Hr时，当桩体向上刺入褥垫层时，在桩顶会形成一个三角形状的压实体，在压实体的四周会形成相应的滑动破裂面，此时可按平面问题来进行分析研究，对该三角形压实体进行受力分析，由水平方向受力平衡和竖直方向的受力平衡及太沙基理论中平面问题的求解，可得最佳的桩间距：

式中，ψ 为垫层中内摩擦角标准值；d 为桩体直径.

桩间土应力为

式中，m 为设计置换率；n为桩土应力比.

当褥垫层的厚度H 小于破坏面深度Hr时，桩体会刺入褥垫层中，则褥垫层发生滑动破坏，其承载力要进行修正，最佳桩间距为：

此种情况时可认为m′≈m，所以有：

为了更好研究褥垫层的作用，文中将褥垫层下的复合地基简化为图3所示的模型，模型中桩体及其上部褥垫层简化成直径为d 的圆柱体.

图3 褥垫层计算简化模型

由于桩、土的模量差异，桩间土与桩体之间存在沉降差，因此桩间土对这部分隔离体会产生向下作用的摩擦力［7］.与桩顶距离较大，土与隔离体之间的沉降变形差会逐渐减小，当褥垫层高度逐渐增加，达到下限临界值h时，桩体顶部与空隙间的褥垫层及桩间土累加的沉降量大致相等时，桩、土之间不存在摩擦力，并形成了均匀沉降平面.

对隔离体进行受力分析，在褥垫层表面，隔离体与周围土体的沉降变形差很小，因此隔离体几乎不受摩擦力的作用，但是在褥垫层底面，隔离体与周围土体的沉降变形差最大，因此受到的摩擦力最大.由分析可知隔离体在被动的状态下保持平衡，因此可以用土体被动极限平衡理论进行分析.本文假设剪应力的分布是线性的，由于隔离体顶面无相对滑动，因此顶面处剪应力为0，而底面处剪应力最大，最大剪应力为

建立隔离体平衡方程

再根据平衡条件有：

解方程（7）得：

将式（8）代入式（6）可得：

上式即为褥垫层最小厚度公式，可以对以后的工程实践起到借鉴作用.

2 CFG 桩复合地基在竖向荷载下的数值模拟

本文是依托广梧高速公路十八合同段地基处理工程来研究的.广梧高速公路十八合同段位于河口至平台之间，属于典型的山丘路段，沿线地形地貌十分复杂，有高填高挖路段、半填半挖路段、穿山涧路段和依山路段等，路堤填筑高度因地形地貌的复杂，变化也很大，最低处只有2m 多，最高处10m 多.由于地质条件较差，周围环境复杂，广梧高速公路十八合同段使用了大量的CFG 桩复合地基.为了便于计算，文章分析选取广梧高速公路十八合同段的一部分，即k131＋010处地质资料来进行数值模拟，分析褥垫层参数对桩复合地基加固效果的影响.

采用FLAC－3D有限差分程序对CFG 桩复合地基进行数值模拟.取水平方向为x 轴，竖直方向为y轴，本文选择从荷载板边缘沿x 轴向外延伸0.5倍荷载板宽，从桩顶向y 轴延伸两倍桩长为计算区域，取复合地基顶面为自由面，在底面施加竖向约束，水平可动，在侧面施加水平约束，竖直可动.桩体采用弹性各向同性模型，地基土与褥垫层均采用莫尔库伦弹塑性模型，桩、土、褥垫层之间均设置接触面.

数值模拟中各材料的物理参数均来自广梧高速公路十八合同段k131＋010处，详见表1.

表1 CFG 桩复合地基计算参数

）

2.1 褥垫层厚度的影响

本次模拟参数为：桩长L＝7.5m，桩径D＝0.5 m.桩数选取3×3，桩间距L0＝1.5m，根据计算区域对称性选取1／4区域进行模拟.模拟复合地基总面积为3.0m×3.0m，水平方向计算区域6.0m×6.0m.垫层厚度设置4个等级，分别取h＝100mm，200mm，300mm，400mm.荷载设置6个等级，分别为P＝50 kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa.

图4 FLAC－3D模型网格划分

对复合地基在不同厚度的垫层以及不同竖向荷载情况下的沉降进行数值模拟，并分析其曲线.

由图5中不同垫层厚度的沉降关系曲线得出，当垫层厚度相同时，复合地基沉降量会随着荷载的增加而增大，但荷载增大到一定程度时，基础沉降速率会逐渐减小，逐渐达到平衡.当荷载相同时，褥垫层越厚，复合地基沉降量越大，此规律正与文献［8－9］中的实测值相符.本文分析认为当荷载不断增大，桩顶上的褥垫层中会首先出现塑性区，这样会导致地基沉降增加；当褥垫层模量相同时，褥垫层越厚，桩体入侵程度越大，直至达到平衡状态，因此褥垫层厚度会影响桩的侵入程度，同样也会影响地基沉降量.

图5 垫层厚度与沉降的关系

图6表明，其他条件不变时，垫层厚度增大，桩土应力比会逐渐减小，桩体承担的荷载会部分转移到土体中，桩间土承担的荷载逐渐增大.随着褥垫层厚度增加，桩土应力比关系曲线逐渐变缓.文献［10］中所得规律与本文分析基本一致.

图6 垫层厚度与桩土应力比的关系

由图6分析可知，褥垫层的厚度可以调整桩土应力分担比例.当褥垫层厚度较大时，桩土应力比会接近最小值，此时桩体会较大地向上入侵到褥垫层中，导致桩间土会承担更多的荷载，并逐渐被压缩密实，所以桩体承担的荷载会减小，这样桩顶应力也会相应减少.反之，当褥垫层厚度逐渐减小，桩体的入侵量也相应减小，桩间土所承担荷载也相应减小，桩体承担荷载则会增加，这样导致桩顶应力增大，相应在桩顶可能会产生应力集中现象，对桩体加固效果有不利影响.因此，在复合地基设计时，应特别注意褥垫层厚度不够引起此方面的问题.

2.2 褥垫层模量的影响

本次计算参数和计算区域与前面相同，垫层厚度取h＝200mm，褥垫层模量分4个等级Esc＝30MPa，50MPa，70MPa，90MPa.

由图7可知，当褥垫层模量恒定时，竖向荷载越大复合地基沉降量越大，当荷载不大的时候呈现线性变化，但是在继续加载到较大的情况时开始呈现出非线性的变化.当荷载相同时，褥垫层模量越大复合地基沉降量越小，这与文献［11］及文献［1］中所得结论相同.褥垫层模量处于30MPa，50MPa，70MPa范围内时，基础沉降量的减小程度比较明显；但是当褥垫层模量处于70MPa，90MPa范围内时，基础沉降量减小趋势明显降低，当褥垫层模量继续增大，基础沉降量会越来越少并趋于一个平衡值，这是因为褥垫层模量较大，导致褥垫层过“硬”，桩体不能较好地刺入褥垫层中，不能在褥垫层中形成塑性区，因此褥垫层的沉降量也会明显减少.

图7 垫层模量与沉降的关系

由图8可知，褥垫层模量与桩土应力比约成线性比例关系，随着褥垫层模量增大，桩土应力比的变化速率减少，因此褥垫层的模量不宜过大，过高的褥垫层模量并不能很好地改变桩土应力比的分担情况，但褥垫层模量的改变仍然会影响桩土应力比，设计时也可以将之当作调节桩土应力比的一种方法.此分析结论与文献［11］中相同.由此可得，褥垫层模量可以在一定范围内对桩土应力比有调节作用，但是如果褥垫层模量设计得过高，桩土应力比改变并不明显，反而容易增加投资，设计时应多加注意.