某港区后方交通联络线浅埋基岩复合地基沉降特性研究
2016-10-21董淑海沈宇鹏
董淑海，沈 强，沈宇鹏
(1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032； 2.澳门土木工程实验室，中国澳门 999078；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)
某港区后方交通联络线浅埋基岩复合地基沉降特性研究
董淑海1，沈强2，沈宇鹏3
(1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032； 2.澳门土木工程实验室，中国澳门999078；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)
以某码头交通联络线的CFG桩复合地基为工程背景，开展浅埋基岩复合地基的加固机理研究，采用ABAQUS软件分析CFG桩端距基岩距离、嵌岩深度和下伏岩性等不同工况对浅埋基岩复合地基的承载效果。结果表明，浅埋基岩的CFG桩复合地基的承载主要由桩体承担，但桩间土也能承担部分荷载；距基岩距离越小，桩顶处出现的沉降量越小，桩顶处桩土应力比越大；嵌岩深度越大，沉降量也越小，而桩顶处桩土应力比越大；下部基岩弹性模量越大，沉降量越小，桩顶处的桩土应力越大。
浅埋基岩；CFG桩复合地基；沉降；桩土应力比
1 概述
在深厚软弱地层中，常用CFG桩复合地基+褥垫层+土工格栅的结构形式，提供较好的承载体，同时减小结构物的工后沉降。复合地基在荷载作用下，刚性桩桩顶能够向上刺入褥垫层，桩端向下能够刺入持力层，国内高速铁路常常采用这种方式来减小工后沉降[1-6]。然而，在某些岩层埋置较浅的地区，常将刚性桩接触或进入部分强风化基岩，从而充分发挥岩层的承载作用。在上部荷载作用下，桩顶能向上刺入褥垫层，而桩端向下刺入相对较小，通过合理设置褥垫层厚度和土工格栅层数，使上方的竖向应力为加筋网垫与桩间土承担的竖向应力承担，实现桩土共同作用[7-14]。一些情况下，工程中采用该类型刚性桩复合地基技术比采用嵌岩桩基能节约成本和缩短工期，但因为缺乏完整试验数据和工程实测资料支持，作用机理研究落后于工程实践。
结合某港区后方交通联络线实际工程，通过现场试验、数值模拟总结分析了CFG桩复合地基在浅埋基岩地区的加固机理，探讨了CFG桩下基岩模量、距基岩的距离及嵌岩深度对复合地基沉降及桩土应力比的影响规律。
2 浅埋基岩复合地基的加固机理
就桩的承载能力特点和承载能力来看，可以分为复合桩基和复合地基，两者存在显著的差异。复合地基中由于褥垫层的存在，桩间土能够负担较大比例的上部荷载，当复合地基在正常使用状态时，上部的荷载一直由桩间土和CFG桩共同承担。而复合桩基中的桩和承台之间的有效联接，上部荷载一般由承台(筏板)传递给桩，当CFG桩到达它的极限承载力时，将会出现一定的刺入沉降，此时上部荷载会逐渐向桩间土移动，并且最终桩土之间有明确的荷载分担；通常假定当作用在复合桩基上的外载小于各个桩的单桩极限承载力之和时，外载将全由桩承担；当施加在复合桩基上的外荷载超过承台下的单桩极限承载力之和时，各桩将始终保持承担相当于各桩的极限承载力之和的外荷载，桩间土承担余下部分。两者受力特性上的差异，可以用图1表示。
图1 复合桩基和复合地基概念与受力特性对比
目前，刚性桩复合地基褥垫层的研究，大部分围绕桩顶和桩间土的应力来讨论桩和桩间土各自的发挥程度；桩顶以上的垫层在受力以后可能会发生不可压缩的“弹性核”，使褥垫层调节桩土变形功能削弱或丧失，从而达不到桩土荷载分担效果；而应用桩端落在基岩上的刚性桩复合地基更有这种可能。
如图2所示，在荷载作用下，桩和土都会发生压缩变形，由于桩的模量远高于土，因此土的变形会大于桩的变形，桩向上刺入褥垫层，褥垫层发生向外挤出，填补因变形产生的桩土相对位移，使土始终发挥承载力作用。因此只要土受荷载下的变形量始终小于本试验条件这种极端情况下桩的上刺入变形量，那么就可以保证桩间土始终能够通过褥垫层与基底接触，从而承担上部荷载。根据以上数据分析，桩可以上刺入褥垫层的量较大，而实际工况中当桩周褥垫层有围压存在时，桩向上刺入褥垫层的量相对要小。
尽管褥垫层有调节作用，但CFG桩分担量比桩间土大得多，CFG桩有往垫层刺入的趋势，因此在CFG桩体顶部将出现一个负摩阻区。从CFG桩的轴力沿深度分布(图3)来看，在深度z
图2 桩侧褥垫层受围压示意
图3 CFG桩轴向力随深度的变化情况
3 案例分析
3.1工程条件
某港区后方交通联络线，基底的地层岩性自上而下分述如下。①第四系新近堆积地层(Q4ml)，主要为种植土、人工填土、杂填土等，成分为碎石、黏性土、建筑生活垃圾等，杂色，结构松散，人为因素影响大，成分复杂，厚0～2.5 m。②第四系全新统(Q4al+pl)，软塑状黏性土，局部流塑状，厚2～10 m。③基岩，侏罗系(J)。砂岩、砾砂岩，钙质胶结，以紫红、褐红色为主，强风化带厚0～10 m，弱风化带岩体较完整，如图4所示。其中，第四系主要为黏土、粉质黏土，褐黄、褐灰色，软-流塑状，PS值为0.25～1.38 MPa，ES值为1.6～6.1 MPa。
图4 联络线基底地层条件(单位：m)
路基宽度13.6 m，路基高4～5 m，底座边缘以外两侧设4%的向外横向排水坡。基底采用CFG桩复合地基，桩顶设置50 cm厚碎石褥垫层，而桩底接触到下部基岩顶面；CFG桩径400 mm，梅花形布置，间距为1.6 m，如图5所示。
图5 联络线的路基结构(单位:cm)
3.2浅埋基岩复合地基的现场检测
（四）及时补铁 铁是造血和防止营养性贫血的营养物质，新生仔猪体内铁的贮存量一般为50 mg，每日生长代谢约需消耗7 mg，从100 ml的母乳中仅得到0.2 mg左右的铁，可见，仔猪得不到铁的补充，可于7日龄左右出现缺铁性贫血，生长发育受阻，食欲减退，抵抗力下降，易患白痢。广西西江农场对2日龄的仔猪注射培亚铁针剂（主要成分为葡聚糖铁）1 ml（含铁100 mg），10日龄再注射2 ml，与对照组相比，成活率提高7.62个百分点，增重提高37个百分点。广西农垦畜牧研究所对3～5日龄的仔猪肌注牲血素每头1 ml，增重比对照组提高10.99%，成活率提高15.78%。亦应注意铜和钴的补充。
为了检测浅埋基岩CFG桩复合地基中刚性桩的承载性能，在现场进行了试桩及工程桩的承载力试验。图6为试桩的Q-s曲线。从图6可以看出，单桩极限承载力为624 kN，因此单桩承载力征值取312 kN。
图6 CFG桩试桩的Q-s曲线
图7为试桩过程中各测点的桩身受力图，从图7可以看出，桩体以端承为主，桩侧只承担部分荷载。
图7 试桩中桩身受力特征(单位：m)
3.3参数分析
为了分析不同条件下，浅埋基岩的CFG桩复合地基的承载机理；选取CFG桩端距基岩距离、嵌岩深度、基岩地弹模等不同参数，分析桩端沉降和桩土应力比的变化规律，提出浅埋基岩条件对复合地基的承载性能的影响，为以后类似的工程提供参考。
3.3.1模型建立
采用ABAQUS软件仿真分析路基填筑过程中复合地基的承载性能，模型结构及网格划分如图8所示，考虑到对称性，只取一半模型，计算参数见表1。土体采用Mohr-Coulomb模型，采用CPE4P单元类型，CFG桩的桩径为0.4 m，路堤高度5 m，顶宽7 m，坡度为1∶1.5，垫层、路堤采用Mohr-Coulomb模型，取为CPE4R单元。在定义边界条件时，在土体的四周设置法向约束，底部设置x、y两个方向的约束。桩和土设置摩擦接触，摩擦系数为0.1；桩端和土体设置绑定约束。
图8 模型网格划分
在实际施工中，常采用分层填筑，在ABAQUS中的时间步来控制路堤分级加载情况，施工加载曲线如图9所示。路堤分为4级加载，分别为垫层、1层填土、2层填土、3层填土，加载后固结30 d后再加下一级荷载。
表1 计算中的土体物理力学参数
图9 堆载过程曲线
图10为路基中心点在不同施工步骤与现场实测的对比曲线，从图中可以看出，两者的趋势基本相同，数值上也基本相当，说明模拟过程中所取的参数合理可信，这也为后续的仿真计算提供保障。
图10 实测与仿真计算的沉降对比(路基中心)
3.3.3参数分析
(1)CFG桩端距基岩距离
图11(a)为桩端距基岩埋深不同时的桩间土沉降，从图中可以看出，当桩端接触基岩时，桩间土沉降量最大值小于9 mm，但随着桩端距基岩的距离变大(桩长变短)，沉降量逐渐增大，当距离增大到2 m时，桩间土沉降量最大达到了12.5 mm。
图11(b)为桩顶处距基岩不同距离时的桩土应力比，从图中可以看出，桩端处的应力比随着桩端距基岩深度的增加逐渐减小，说明CFG桩桩端与基岩接触时，主要由桩体来承担上部荷载，而桩间土承担小部分，此时的桩土应力比达25.05。当距离超过1 m后，桩土应力比当不受距离的影响，基本保持不变，大约为11。
图11 桩端离基岩不同距离
图12 桩端嵌入基岩不同深度(桩顶处)
(2)嵌岩深度
图12(a)为CFG桩嵌入基岩不同深度时的沉降量，从图可以看出，当CFG桩嵌入基岩0.5 m时，其桩顶处的沉降量大大减小；嵌固深度0.5 m与1.0 m的变形量非常接近，不超过5 mm的变形量，说明沉降量主要为桩体本身的变形，与桩端处的基岩基本无关。
图12(b)为桩顶处不同嵌岩深度的桩土应力比，桩土应力比随着嵌岩的深度的加大逐渐增大，但嵌岩深度超过0.5 m后，桩土应力比的增大幅度非常小，为32～34，说明浅埋基岩的复合地基中，CFG桩承担大部分荷载。
(3)基岩弹模
为分析不同浅埋基岩的弹性模量对CFG桩复合地基的作用效果的影响，分别考虑砂砾岩(现场)2 GPa，泥岩0.2 GPa和中风化花岗岩20 GPa，后两类岩石的弹模参考《工程地质手册》(第四版)[12]取值。
图13(a)为CFG桩在不同下伏岩石的沉降量图，从图中可以看出，随着CFG桩下伏岩石弹性模量的增大，桩间土的沉降量更小，说明荷载主要由刚性桩承担，桩间土承担的荷载更小，这从桩土应力比也能体现出来。
图13(b)为CFG桩在不同下伏浅埋基岩的桩土应力比，桩土应力比随着基岩弹性模量的加大逐渐增大，说明随着桩端的变位的减小，CFG桩将承担更大的荷载。
图13 不同基岩条件下CFG桩复合地基的受力特征(桩顶处)
4 结论
(1)浅埋基岩CFG桩复合地基的承载机理与普通复合地基有所不同，它的工作机理为刚性桩的上刺入褥垫层，而几乎没有下刺入基岩条件下，荷载使桩体产生变形，使桩体与桩间土有一定的位移差，将荷载向桩间土传递，荷载主要由刚性桩承载。
(2)数值计算与实测沉降的对比，结果基本吻合，说明数值计算结果可靠。
(3)从单桩载荷试验来看，浅埋基岩的CFG桩的极限承载力接近624 kN。
(4)距基岩距离越小，桩顶处出现的沉降量越小；嵌岩深度越大，沉降量也越小；同样，下部基岩弹性模量越大，沉降量也越小。
(5)距基岩距离越小，桩顶处桩土应力比越大；嵌岩深度越大，桩顶处桩土应力比越大；同样，下部基岩弹性模量越大，桩顶处桩土应力比也越大。
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Study on Settlement Characteristics of Composite Foundation in Shallow Bedrock of Linking-up Road near a Harbor
DONG Shu-hai1， SHEN Qiang2， SHEN Yu-peng3
(1.CCCC Third Harbor Consultants Co.， Ltd.， Shanghai 200032， China; 2.Civil Engineering Laboratory Of Macao， Macao 999078， China; 3.School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)
Based on the CFG pile composite foundation of a harbor linking-up road， the reinforcement mechanism of composite foundation in shallow bedrock is conducted. With ABAQUS software， the effects of the distance between CFG pile and the bedrock， the rock-socket depth and different lithologies on the bearing capacity of shallow bedrock foundation are analyzed. The results show that the bearing capacity of shallow base rock CFG pile composite foundation in contributed mainly by the piles， but the soil between piles can also bear part of the load. The smaller the distance from the bedrock， the less settlement at the top of the pile and the pile soil stress ratio increases. The greater rock-socket depth， the smaller the settlement and the pile soil stress ratio increases．
Shallow bedrock; CFG pile composite foundation; Settlement; Pile soil stress ratio
2016-02-29；
2016-03-12
中央高校基本科研业务费专项资金(2015JBM064)
董淑海(1978—)，男，工程师，主要从事港口工程的岩土工程勘测、检测咨询等工作。
1004-2954(2016)08-0045-05
TU472
ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.010
