管桩与袋装砂井组合型复合地基特性研究*

朱贤宇，姚云龙，尹建兵，刘 鑫

(1.中交三航局第三工程有限公司，江苏 南京 210011； 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 3.河海大学隧道与地下工程研究所，江苏 南京 210098； 4.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032)

0 引言

软土具有含水率高、流动性强、承载力低和压缩性高的特点，但工程性质较差，因此选择合适的处理方法改善软土工程性质具有重要的理论和现实意义。管桩与袋装砂井组合型复合地基处理方法是有效的处理方法之一，在土体中设置袋装砂井，减小土层的排水距离，软土固结时间长短与其相对排水距离的平方成正比，从而加速了路基的固结和沉降[1-2]。

管桩联合袋装砂井相比于常规处理方法，具有承载力高、沉降小、管桩挤土能力小、路基抗剪强度高、施工进度快、造价低、噪声小等优点，具有很好的经济效益和工后效益[3-4]。该方法已应用于软土复合地基，解决了桥头跳车、工后沉降等问题，如广东某高速公路标段采用了管桩与袋装砂井组合型复合地基处理方法进行软基处理[5]。目前，众多学者对管桩和袋装砂井都展开了研究，如：Han等[6]基于有限元分析了软土复合地基的力学性状，并研究了复合地基桩-土相互作用及荷载传递规律；高喜胜[7]对预应力管桩联合袋装砂井软基处理的加固原理和理论计算进行了分析；曹卫平等[8]基于Plaxis有限元发现在路堤填筑过程及地基土固结过程中，桩身中性点位置先向下移动后向上移动，再向下移动，最终趋于稳定；Kong等[9]基于有限元分析了复合地基的荷载传递机理，并探讨了复合地基中桩侧负摩阻力与地基土固结时间的关系；刘毅等[10]基于有限元分析了桩身模量、褥垫层强度和厚度等因素对复合地基的影响；唐晓武等[11]研究表明刚性桩在使用和计算固结时，不可忽略褥垫层的协调作用，刚性排水桩的软基处理能力相比砂井和不排水刚性桩明显更强；周志军等[12]提出可控刚性桩与排水体组合型复合地基，通过室内模型试验发现该方法能有效减小不均匀沉降；Nguyen等[13]提出了假设法并计算垂直排水改良软土地基在不同应力状态下的固结沉降，通过有限元和工程实例表明，该解与实测结果吻合较好；陈兆钰等[14]通过袋装砂井模型试验研究了初始含水率对滨海地区软土地基砂井排水效果的影响规律；蒋建清等[15]发现塑料排水板和袋装砂井联合堆载预压方法处理软基有良好的加固效果并能有效降低沉降，沉降-时间曲线呈多级式发展，袋装砂井处理的沉降量小于塑料排水板处，软基上部土体的排水效果明显优于中、下部；李国维等[16]研究表明陀螺桩垫层可以加快袋装砂井地基固结，也可以减小地基总沉降和提高稳定性；吴永立等[17]基于Plaxis有限元建立了带帽管桩联合袋装砂井复合地基模型，发现桩侧摩阻力与桩顶荷载呈正相关，袋装砂井在荷载<100kPa时能有效增加桩侧摩阻力；陈力恺[18]基于有限元发现桩侧负摩阻力和中性点位置随地基土的固结不断变化并最终趋于稳定，桩侧摩阻力受竖向荷载、桩-土接触面性质的影响较大。Plaxis软件可以很好地模拟土体在荷载作用下的受力变形过程，可以用来预测高速公路软土路基变形和稳定性[19-20]。

上述研究未对管桩与袋装砂井组合型复合地基的固结、沉降、稳定性等特性进行深入研究。因此，本文将基于Plaxis有限元软件并结合现有工程实例，建立4种不同处理方法的桩土复合地基模型，对比分析固结、沉降、稳定性和桩侧摩阻力的变化规律，据此评价各方法的处理效果，对分析工程固结沉降与路堤稳定性预测具有实用性，为类似复合地基运用和选择提供参考。

1 数值模型建立

1.1 模型基本假定

依托于遵秦高速公路某标段含有管桩与袋装砂井组合型复合地基的工程实例，建立正方形布桩的桩土复合地基模型，地基宽度取120m，高度取25m，土层边坡坡比为1∶1.5，其中路堤顶宽取36m。为了计算方便，现进行以下假定。

1)对路堤进行取半分析，建立半对称数值模型，按平面应变问题进行分析。

2)填土和地基土均为弹塑性，桩间土变形为一维压缩性。

3)以Berrum理论公式计算桩侧摩阻力；复合地基在一定深度处存在等沉面，由于存在负摩阻力，将等沉面设在正摩阻力与负摩阻力的分界面。

1.2 模型边界条件

为了确保计算精度，模型边界需设置一定的约束条件。模型顶面为自由边界，底部为水平与竖直方向位移约束边界，左、右两侧为水平方向位移约束边界，不限制竖直位移。将常水位线设于软土层顶部边界，模型左、右两侧和底部边界均限制渗流。

1.3 模型参数取值

1.3.1土层参数

各土层土体参数指标取自该标段工程地质勘察报告中各土层设计参数建议值，如表1所示。软土层采用修正剑桥模型，其他土层采用莫尔-库仑模型，其中路堤填土高度和软土深度均为8m，为满足工况需求，以1m为填筑高度，分层填筑。

表1 各土层土体参数指标

1.3.2桩体参数

路堤稳定性有限元计算为二维平面问题，桩体采用线弹性模型，要将实际三维桩体转化为二维等效板体，依据Reissner-Mindlin理论的5结点梁单元来等效转化，等效前、后的复合地基竖向刚度相同，桩体计算参数指标如表 2所示。

表2 桩体计算参数

1.4 模型建立

基于在管桩间打设袋装砂井情况及上述参数，最终确定二维有限元计算模型，如图 1所示。在Plaxis软件中采用排水线模拟砂井，用板单元模拟管桩，使用界面单元并考虑摩擦特性。由于所分析问题具有对称性，只考虑模拟右半边。为提高计算精度和收敛性，对复合地基模型进行了加密规则划分，网格划分情况如图 2所示。

图1 管桩与袋装砂井组合型复合地基计算模型

图2 网格划分示意

1.5 计算步骤

为了研究袋装砂井与管桩组合的作用效果并进行对比，需讨论只有袋装砂井和管桩单独存在、改变管桩和袋装砂井施工顺序所带来的影响，考虑计算步骤建立4种模型。各模型的计算步骤如表3所示。将以下各步骤在Plaxis中模拟计算，然后进行计算结果分析。

表3 各模型的计算步骤

2 计算结果及分析

2.1 固结分析

由太沙基有效应力原理可知，固结主要是软土中的超静孔隙水压力消散、有效应力增加的过程[21]，土体从而得到加固，超静孔隙水压力的增长与消散规律反映了地基排水固结特性和有效应力的变化规律。选择淤泥层中部接近路基中线的A点处，分析超静孔隙水压力与时间的关系，如图3所示。

由图3可知，在袋装砂井的处理下，超静孔隙水压力出现反弹现象；而在管桩的影响下，反弹现象消失，随着地基填土荷载的增加，超静孔隙水压力一直增大，当荷载施加完后达到最大值，之后超静孔隙水压力逐渐减小，所需时间要小于单独用袋装砂井处理的时间。模型2超静孔隙水压力增加和消散速率均比模型3慢，这是因为在施工管桩过程中，土体受挤压使超静孔隙水压力增大，袋装砂井加快了排水，从而导致超静孔隙水压力消散速率较快。

图3 各模型超静孔隙水压力与时间的关系

模型3超静孔隙水压力消散比模型4快，管桩与袋装砂井组合的超静孔隙水压力小且消散很快，先增大至12kPa后减小至0，这是由于管桩承担了上部荷载，导致A点的总应力减小，超静孔隙水压力减小，这种减小是相对的，相比原始状态还是有所增加，有效应力也在增加，也说明了袋装砂井在排水方面起着重要作用。

2.2 沉降分析

2.2.1路堤总沉降分析

为分析路堤总沉降的变化规律，取地表路堤处3个固结阶段分析路堤总沉降，如图4所示。

图4 各模型沉降与距路堤中心距离的关系

由图4可知，各模型路堤总沉降随着与路堤中心距离的增大而逐渐减小，在距路堤中心约60m处沉降为0。在3个固结时间段中，模型1的沉降量均最大，袋装砂井使孔隙水压力消散，地基发生固结，但不能减小路堤总沉降；模型2，3，4的沉降变化均匀，受时间因素影响较小，不会因太大的沉降差异而造成失稳现象，

组合处理的沉降稍大于单独用管桩处理的沉降，由于袋装砂井加速了软土固结导致沉降变大。模型3与模型4处理方式下的总沉降相差不大，沉降小，同时能避免出现沉降盆所带来的危害，但是在固结的3个阶段，模型4的沉降要稍大于模型3，沉降差随着与路堤中心距离增大先逐渐增大后减小，说明先施工砂井加快了软土固结。

2.2.2时间-沉降分析

同样取软土层中部靠近路基中心线的一点，分析此处沉降随时间变化规律，如图5所示。

图5 各模型沉降与时间的关系

由图5可知，模型3与模型4的变化曲线基本重合，说明施工顺序对路堤中心的沉降影响不大。模型1在固结过程中沉降增幅最大，一旦有荷载增加，沉降很明显，此时地基中只存在袋装砂井而没有桩体承载，孔隙水压力消散很快，地基固结较快，所以沉降增加明显。模型2的关系曲线变化最缓慢，这是由于没有排水作用导致孔隙水压力消散很慢，但模型2的沉降量小于模型1的沉降量，打设袋装砂井后土体固结所需时间也明显缩短。在地基中打设桩体后沉降量明显降低，这也反映管桩在承受上部荷载方面起到了重要作用。

2.3 稳定性分析

通过有限元强度折减法来分析路基稳定性，设计路基需要考虑路基的最终稳定性，还要考虑填筑过程的稳定性。通过4种模型在不同施工阶段的安全系数来研究各处理方法对路基稳定性的影响，结果如表4所示。

表4 不同模型不同施工阶段的安全系数

由表4可知，4种模型的安全系数在施工阶段是不断变化的，均随荷载的增加而逐渐减小，当路面结构层施工完成后达到最小值。由此可见，路基失稳是在开始加载后不断发展的，施加完荷载后的安全系数最小，因此不同模型的安全系数增幅不同，模型2，3，4的安全系数增幅均大于模型1，说明管桩起到了重要作用；模型3，4最后阶段的稳定系数几乎相同，且最后增幅也相近，这反映了不同施工顺序对路基稳定性影响很小；打设管桩使路基稳定性提高了很多，说明桩体复合地基不仅提高承载力，还提高了路基稳定性。

2.4 桩侧摩阻力分析

取桩顶荷载20，60，100，140kPa为4种工况，桩侧摩阻力与桩顶荷载的关系如图6所示。

图6 不同桩顶荷载对桩侧摩阻力的影响

由图6可知，该3种模型的桩侧摩阻力均随桩顶荷载的增加而不断增大，沿桩身从上往下出现了负摩阻力区、过渡区和正摩阻力区。随桩顶荷载的增加，桩侧摩阻力表现为负摩阻力逐渐减小，正摩阻力逐渐增加的过程，最大桩侧摩阻力在深度7m左右。模型3，4的桩侧摩阻力变化规律和数值大小很接近，施工顺序不同并未改变桩间土的状态。模型2的中性点位置高于模型3，4的中性点位置，中性点位置不断上升，负摩阻力区变小而正摩阻力区增大，这是由于路堤填筑较高时，桩间土已经形成了土拱，桩体承担大部分的路堤荷载而桩间土承担了小部分荷载，所以桩体沉降值增长较快而桩间土沉降值增长较慢，导致桩间土相对于桩体有向上的相对位移。路堤荷载一直增加，此时地基土的固结还未完成，桩顶荷载成为影响桩侧摩阻力的主要因素，随着荷载的增加，桩侧摩阻力的变化逐渐趋于稳定。

桩周土既不产生正摩阻力又不产生负摩阻力的位置即为中性点[22]。分析中性点位置变化可以反映桩侧摩阻力变化与桩身受力情况，如图7所示。

图7 中性点深度与时间的关系

由图7可知，有无袋装砂井的变化规律基本一致，有袋装砂井的情况能稍微提高中性点的位置。中性点随着路堤填筑先下降然后逐渐向上移动，之后在100d后又下降。这是由于路堤填筑高度较低时，桩间土还未形成完整的土拱，桩间土所受荷载逐渐增大，桩间土沉降值增大较快而桩体沉降值增大较慢，桩间土相对于桩体有向下移动的趋势。而当路堤填筑高度较高时，路堤填土中已形成完整的土拱，桩间土所受荷载变化很小，桩体承担了大部分的路堤荷载而桩间土只承担了小部分，桩体沉降值增大较快而桩间土沉降值增大较慢，桩间土相对于桩体有向上的移动趋势。

3 结语

1)软土复合地基的固结沉降变化规律与处理方式有很大的关系。仅用袋装砂井处理的超静孔隙水压力会出现反弹，打设管桩会使反弹现象消失。组合型复合地基处理方法具有优越性：超静孔隙水压力小，超静孔隙水压力消散很快；不同施工顺序处理下的超静孔隙水压力均先增大至12kPa后减小，而先施工管桩的消散更快。

2)仅用袋装砂井处理的路堤中心沉降是仅打设桩体的7.5倍左右，应用管桩后的沉降变化均匀，受固结时间影响较小。组合处理具有沉降小优点的同时能避免沉降盆所带来的危害，沉降受施工顺序的影响不大，先施工管桩的沉降要稍小于先施工袋装砂井，两者沉降差随着与路堤中心距离的增大先逐渐增大后减小。

3)路堤安全系数随荷载的增加而逐渐减小，在路面结构层施工完成后达到最小值。打设管桩后的安全系数增幅均大于仅用袋装砂井的情况，施工顺序对路堤稳定性影响很小。不同加载施工期的稳定性差别较大，需重视加载过程；袋装砂井所需固结时间较长，因而需提前填筑路堤，有必要在软土充分固结后再修筑路面结构物。

4)打设袋装砂井能稍微提高中性点位置，中性点位置随路堤填筑先逐渐下降后向上移动，之后在100d后又下降。在土体固结前，桩侧摩阻力与桩顶荷载呈正相关。当路基填筑完成后，土体固结使土体强度增加，此时土体固结是影响桩侧摩阻力的主要因素。