长短桩模量对复合地基的沉降特性研究

2020-12-26翟玉雄

铁道建筑技术 2020年10期

翟玉雄

(中铁二十一局集团第六工程有限公司北京 100000)

1 引言

地基沉降变形是高速铁路研究的主要问题，而且地基沉降受多方面因素的影响。李仁强等[1]应用PLAXIS有限元软件，对影响长短桩复合地基稳定性的影响因素逐一进行分析，结果表明CFG桩长的变化对长短桩复合地基沉降造成的影响较大。周同和等[2]通过两组四桩多桩型刚性桩复合地基现场载荷试验，分析了多桩型刚性长短桩复合地基桩土应力、荷载分担及其发展变化的工作性状。刘吉福等[3]在分析桩土沉降关系和桩土作用的基础上，提出了路堤下刚性桩复合地基沉降计算新方法为附加应力法。许兴旺[4]结合工程实践对其布桩组合形式、计算方法、施工工艺及沉降控制经验系数等进行系统地研究。李善珍等[5]结合室内模型试验，研究不同桩长比、不同短桩间距对长短桩复合地基沉降及长桩承载特性的影响。马天忠等[6]研制了室内模型试验装置，在单桩、4根组合桩及8根组合桩工况下通过伺服加载系统对试验装置进行了加载，全面分析了桩身承载力和变形特性。杨光华等[7]提出了软土地基刚性桩复合地基沉降计算的简化方法。胡金山[8]采用室内模型试验对比分析螺杆桩和CFG桩复合地基承载特性。申永江等[9]针对双排抗滑桩前、后排桩受力与变形差异较大，前、后排抗滑桩无法充分发挥抗滑作用以及沉埋式抗滑桩因沉埋深度过大可能引起越顶破坏的问题，提出了双排长短组合抗滑桩的支护形式。叶彩娟[10]在兰州至中川机场城际铁路建设中采用水泥掺量为12%、16%、20%的水泥土搅拌桩进行地基处理并观测其沉降，运用双曲线法、三点法、Asaoka法预测复合地基的沉降，研究水泥土搅拌桩复合地基的沉降发展规律及沉降控制效果。贾世涛[11]以北京地铁蓟门桥站为工程背景，针对PBA地铁车站穿越各类土层的情况，采用Midas Gts NX有限元分析软件建立实体模型，模拟施工过程的各阶段以研究过程中引起的地层沉降规律。

综上可知，现有文献大多是基于理论分析或者从大方面来研究复合地基的变形沉降影响因素，而对于湿陷性黄土区复合地基的沉降变形研究较少。本文借助于大型有限元软件ABAQUS对复合地基进行三维数值模拟研究，分析长桩、短桩桩体的弹性模量大小对长短桩复合地基沉降特性的影响。

复合地基采用水泥土挤密桩短桩＋CFG长桩的地基处理技术，垫层厚度取800 mm，桩径取0.4 m。CFG桩桩长15 m，桩间距2.0 m；水泥土挤密桩桩长8 m，桩间距1.0 m。整个路基宽36 m，桩体均采用正方形形式布置。CFG桩＋水泥土挤密桩复合地基模型见图1。

图1 CFG桩＋水泥土挤密桩复合地基模型

2 长短桩复合地基沉降作用机理

长短桩复合地基中桩体有多种布置形式，常见的有长方形、正方形、等边三角和网格状。长桩和短桩间隔布置，其立面布置见图2。

图2 长短桩复合地基立面布置

从图2可以看出，长短桩复合地基有工作区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，三个工作区协同组成长短桩复合地基[12]。具体来说，在路堤荷载作用下，填筑一开始桩与桩间土即为一个整体，共同承载，褥垫层使得桩与土协同作用。工作Ⅰ区采用水泥土挤密桩短桩加固地基；工作Ⅱ区采用CFG长桩来减少地基土体变形，控制沉降。长短桩复合地基主要有以下三个工作阶段:

(1)在第一阶段，即路堤填筑初始阶段，桩土压缩模量不同，尤其是长桩模量远大于土体模量，由此发生桩顶刺入土体现象。此时褥垫层发生变形，进入调整阶段，于是桩与桩间土成为一个整体共同承担上部荷载，但桩与桩间土体也开始产生差异沉降，因此桩与桩间土体之间产生力的作用。

(2)随着路堤填土高度的增加，进入第二发展阶段，此时上部荷载增大到某一值后桩体承担的荷载和桩间土体承担的荷载开始出现明显差距，于是桩顶刺入现象更加明显，进而引起桩顶部产生应力集中现象，桩土应力比也明显增加，且长桩桩土应力比大于短桩桩土应力比。

(3)随着荷载进一步加大，进入第三阶段，桩体开始相对于桩间土向下滑移，于是桩与土体之间产生桩侧摩阻力，桩体应力呈现逐渐减小的变化趋势，荷载最终通过长桩传递至桩端下部土体并产生桩端反力，因此工作Ⅲ区建议为较坚硬的持力层土体。

综上所述，长桩的作用主要为控制沉降量，将荷载向地基深处传递，并与短桩协同作用缓解桩周土体向上隆起的现象；而短桩的作用则为增强复合地基的承载力。在工作区Ⅰ，长桩对短桩起到一定的“护桩”作用，桩与桩间土体共同沉降；在工作Ⅱ区，长桩与土体由于沉降差异，导致桩尖刺入桩端土层；工作区Ⅲ为无桩区，需要利用下部土体承担桩端荷载，因此一般选择较好的地质层。可以看出，长短桩的布置形式可以充分发挥桩与桩间土的承载潜力，不仅能够满足承载力要求，也能控制沉降，而且能够有效减小施工成本。

3 长短桩复合地基的沉降特性理论计算

长短桩复合地基沉降量的主要构成为:路堤填土和褥垫层自身厚度的压缩量(S1)、加固区土体的压缩量(S2)、下卧土层中产生的压缩变形(S3)；由桩体本身产生的压缩变形(Ssp1)、桩端向上和向下刺入变形(ΔSpu，ΔSpb)三部分组成。其中桩体本身产生的压缩变形(Ssp1)按式(1)计算。

式中，Q为桩体承担荷载；l为桩体长度；Ep为桩的压缩模量；Ap为桩体横截面面积；ψp为桩体自身压缩量的修正系数。

长短桩复合地基的沉降主要包括下卧层土体压缩量和桩加固区沉降量，计算见式(2)。

S1一般很小，可忽略不计，则:

式中，Δσ1i、Δσ2j为加固区或下卧层对应分层土体的附加应力增量；Esj、Esi为下卧层第j层和加固区第i层土的压缩模量；n1、n2为加固区、下卧层土体的分层数；S为桩网式长短桩复合地基总沉降；ψ为下卧层土体变形量或复合地基加固区的修正系数；E′si为加固区第i层复合土层的复合压缩模量。

4 长短桩模量对复合地基沉降特性的影响

4.1 长桩模量对复合地基沉降特性的影响

研究长桩模量变化对复合地基的影响，计算模型见图1。填土黏聚力为30 kPa，填土模量为80 MPa；短桩模量100 MPa；长桩采用CFG桩，水泥掺量不同会导致桩体模量的变化，本文长桩模量分别取2.55 GPa、5 GPa、10 GPa三种情况。CFG桩桩体模量为5 GPa时所得沉降云图见图3～图5，其余各种情况沉降值计算结果见表1。

表1 不同CFG桩体模量下复合地基沉降值

由表1可知，随着长桩模量的增加，整体位移和土体位移均减小，CFG长桩桩体模量从2.55 GPa增长到10 GPa，整体位移减小了2.11 mm，土体位移仅减小了1.67 mm；而CFG桩体位移呈现增长趋势，增长了1.14 mm；挤密桩桩体位移也呈现出逐渐减小的规律，减小了1.91 mm，说明长桩模量的增加对减小沉降作用并不明显。

图3 整体位移云图(桩体模量为5 GPa)

图4 CFG桩体位移云图(桩体模量为5 GPa)

图5 水泥土挤密桩桩体位移云图(桩体模量为5 GPa)

由图3～图5可知，在路堤作用下，整体最大竖向位移为45.32 mm，土体最大位移为43.40 mm，CFG桩桩体最大竖向位移为23.03 mm，水泥土挤密桩桩体最大位移为39.89 mm。对比表1中CFG桩桩体模量为2.55 GPa和10 GPa时的沉降值，复合地基位移云图表现出相似的变化规律。可见，随CFG桩桩体位移增加，而复合地基整体位移、地基土体位移和挤密桩沉降均有所减小。

4.2 短桩模量对复合地基沉降特性的影响

研究短桩模量对长短桩复合地基的影响，计算模型见图1。填土黏聚力为30 kPa，填土模量为80 MPa；长桩模量为2.55 GPa；短桩采用水泥土挤密桩。根据水泥土挤密桩中水泥掺量的不同，变形模量取100 MPa、300 MPa、500 MPa进行计算。变形模量为300 MPa时所得沉降云图见图6～图8，其余各种情况的沉降值见表2。

图6 整体位移云图

图7 CFG桩桩体位移云图

图8 水泥土挤密桩桩体位移云图

表2 不同水泥土挤密桩桩体模量下复合地基沉降值

由表2可知，随着短桩模量的增加，整体位移和土体位移均减小，水泥土挤密桩桩体模量从100 MPa增长到500 MPa，整体位移减小了1.29 mm，土体位移仅减小了0.46 mm，CFG桩体位移先增加后减小，挤密桩桩体位移呈现出逐渐减小的规律，减小了3.09 mm，这说明短桩模量的增加对减小沉降并不明显。但相比长桩模量对复合地基沉降的影响，虽然挤密桩模量对桩体位移影响较大，但对土体和整体位移影响反而较小，这是因为短桩挤密桩模量的增加虽然使得短桩加固区地基复合模量增加，但由于挤密桩长度较短且主要起消除地基湿陷性的作用，而长桩CFG桩较长且弹性模量远大于挤密桩，所以CFG长桩对复合地基沉降控制有较大作用，因此通过增加短桩模量来控制地基沉降的做法并不科学。