湿陷性黄土区复合地基的承载力特性和差异沉降研究

王国梁 崔永伟

（1．郑州市工程质量监督站郑州经济技术开发区分站，河南 郑州 450000；2．中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000）

2016年，有关部门在市场内颁布了相关地基设计的规范性指导文件，文件中明确提出，为保证湿陷性黄土区高速铁路工程项目建成后，项目整体运行的平稳性和舒适性并保障安全性，需要在施工前或项目设计前，做好对地基的承载力特性分析，了解不同路段是否存在差异性沉降[1]。为满足工程项目的建设需求，解决地基工程施工后的差异沉降问题，该文将以某地区湿陷性黄土区的复合地基工程为例进行研究。

1 湿陷性黄土区复合地基的承载力特性

1.1 建立湿陷性黄土区复合地基几何模型

为更直观地掌握湿陷性黄土区内复合地基工程的沉降，下文将采用建立几何三维模型的方式，进行有限元分析。在该过程中，根据相关工作设计规范，进行复合地基模型几何尺寸设计，其参数见表1。

表1 复合地基模型几何尺寸设计参数

参照模型几何尺寸设计参数，设计地基几何模型，如图1所示。

图1 复合地基几何模型

1.2 地基物理力学参数

完成设计后，在复合地基现场进行土工试验，确定地基不同土层的物理力学参数，见表2。

表2 湿陷性黄土区复合地基不同土层的物理力学参数

按照表2所示的内容，进行地基几何模型对应土层物理力学参数的录入。

1.3 应力、桩侧摩阻力计算

经过研究，对复合地基应力进行综合分析，在该过程中，设定桩体结构的土荷载分担比、桩间土荷载对应的分担比分别为δp、δs，其计算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：P为地基单元承担总荷载，kN；Pp为长短桩承担荷载，kN；Ps为桩间土承担的荷载，kN。

在荷载作用下，可以将湿陷性黄土区复合地基近似看作复合土单元，复合桩上的竖向平均应力为σp，复合桩上的横向平均应力为σs，σp、σs计算如公式（3）和公式（4）所示。

式中：n为复合桩土应力比，°；m为地基平均面积置换率，%；A为材料的黏聚力，Pa。

完成上述计算后，根据σp、σs，计算复合桩土应力比n，如公式（5）所示。

在实际工程中，桩结构基础下的位置不同或桩间距离不同会导致复合桩土应力比n的计算结果存在差异[2]。因此，可以在分析地基的承载力的过程中，将应力值作为参照，通过模仿复合路基的填筑过程，选择不同阶段自桩顶部开始，沿桩提取的应力值[3]。根据表2 的相关参数值，分析复合地基应力沿桩身的分布规律，如图2所示。

图2 复合地基应力沿桩身分布规律的分析

从上述内容可以看出，当沿桩身长度呈增加趋势时，对应的桩身应力也增加，当沿桩身长度为2m 时，对应的桩身应力最小[4]。根据大量工程实践与现有研究成果可知，地基应力及其承载力两者呈正相关关系[5]。因此，综合图2 中的内容可以看出，当沿桩身长度<6m 时，基床表层的桩身应力>基床底层的桩身应力>路堤本体的桩身应力>褥垫层的桩身应力>未填筑层的桩身应力[6]。当沿桩身长度>6m 时，基床表层的桩身应力>基床底层的桩身应力>路堤本体的桩身应力>未填筑层的桩身应力>褥垫层的桩身应力，综上所述，基床表层的桩身应力最大，由此可见，在湿陷性黄土区复合地基中，排除外界条件的影响，基床表层的承载力最高。

2 湿陷性黄土区复合地基差异沉降

2.1 基于现行规范的复合地基沉降量计算

针对湿陷性黄土区复合地基的差异性沉降问题，结合地基处理方法以及桩体材料合理测定沉降量。在计算过程中，明确总沉降量是由加固区和压缩区构成[7]。对湿陷性黄土区复合地基来说，其沉降量主要包括褥垫层压缩变形量、加固层复合土层的压缩变形量以及加固层下卧土层压缩变形量。综上所述，湿陷性黄土区复合地基沉降量计算如公式（6）所示。

式中：s为复合地基的沉降量；s1为加固层中复合土层的压缩变形量；s2为加固层内下卧层的压缩变形量。

在计算过程中，由于褥垫层产生的压缩变形量较小，其发生变形基本在施工过程完成时，因此这一参量可以忽略不计。对复合地基桩身压缩量的计算如公式（7）所示。

式中：Ssp1为复合地基桩身压缩量；P0为荷载；L为桩身长度；Ap为桩的横截面面积；Ep为桩身材料的弹性模量。

关于复合地基的总沉降量，按照地基设计规范，利用公式（8）计算得出具体数值。

式中：S为复合地基总沉降量；mjs为加固区域内沉降误差的经验修正系数；S1为加固区域内通过计算得到的沉降值结果；mXs为下卧层沉降误差的经验修正系数；S2为下卧层通过计算得到的沉降值结果。

对复合地基沉降的计算来说，不同材料、不同性能的地基计算方法不同，见表3。

表3 不同复合地基沉降计算方法对照表

表3 中散体材料主要包括柱锤冲扩桩和碎石桩等；柔性材料主要包括水泥土搅拌桩；刚性桩主要包括低标号素混凝土和水泥粉煤灰碎石桩。

2.2 复合地基沉降有限元分析

在确定不同复合地基沉降量的计算方法后，结合有限元法对湿陷性黄土区复合地基沉降进行分析。湿陷性黄土区复合地基的差异性沉降主要受到工程地质、施工质量和车辆荷载等作用的综合影响。对不同湿陷性黄土区复合地基来说，利用有限元法在确定模型工况中的各项参数后，通过变换参数可以发现沉降变化的规律。在进行有限元分析的过程中，按照图3布置复合地基桩及桩间土观测点。桩与桩间土俯视图如图4所示。

图3 复合地基桩基桩间土观测点布置剖面图

图4 桩与桩间土俯视图

在有限元模型中进行褥垫层和路堤填筑模拟，按照图1 布置各个观测点，并规定其中奇数点为水泥土挤密桩间土观测点，偶数点为水泥土挤密桩上观测点。在基床表层完成填筑施工后，对复合地基上各个点的沉降位移进行分析。水泥泥浆挤密桩与桩间土的总沉降量为“盆状”，桩间土点的沉降量均小于同一平面内的沉降量，在同一平面内，水泥泥浆挤密桩与桩间土的沉降量均为最大，而在垂直方向上，水泥泥浆挤密桩与桩间土的沉降量可达18mm；桩与桩间的土体在距堤心线边缘的沉降为1mm～4mm。

在路堤填筑的过程中，路堤下桩与桩间土沉降量的差异较大，并且呈现出“锯齿”形结构，路堤的中心线上第一个桩与桩间土沉降差最大。当褥垫层厚为1m 时，挤水泥浆桩与桩间土在同一时间发生了整体的沉降，并呈现出加固区的总体受压，并且沉降很大，在桩顶+0.000m 的平面路堤中心线上，挤水泥浆桩和桩间土的沉降最大，距路堤中心线的边沿，桩与桩间土的沉降值也较大，在1m 厚的褥垫层下，桩间和桩间的沉降量都很大。综合分析得出，1m 褥垫层沉降会表现为整体压缩沉降，沉降量过大将不符合工程的施工质量要求，同时其材料用料较大，成本较高。

3 结语

我国具有地广、人稀及地质类型多样等特点，在山西、甘肃、河南等地，分布大量的湿陷性黄土地质，新疆、辽宁、青海、内蒙古等地也有一定的分布，但不同地区的湿陷性黄土地质存在阶段性差异。在深入各地的市场调研中发现，陇东南地区的高阶土壤中，存在厚度为50mm～150mm 的黄土，此类黄土具有I～V 级的湿陷性特点，由于此类地质较为特殊，因此，在此类地段进行工程施工，会导致建成的项目出现路堤稳定性差的问题，严重情况下，甚至会使地基出现压缩性沉降，这些问题都是目前工程路基设计中亟待解决的问题。针对这方面内容进行研究，明确在特殊地质环境下施工存在的差异性沉降，为进一步提高工程质量，在后续的研究中，将继续对湿陷性黄土地质进行研究，从更多角度分析地质结构与地基承载力之间的关系，为工程施工提供技术指导。