高速公路碎石桩复合地基受力变形特性研究

范 剑 蒋敏敏

1中国地震局地球物理勘探中心（450000）2河南工业大学土木建筑学院（450001）

1 碎石桩复合地基模型

碎石桩复合地基是以碎石桩体作为竖向增强体的复合地基，被广泛应用于加固松散砂土、粉砂和粉土地基。目前碎石桩复合地基设计理论中存在着很多问题，为了对碎石桩复合地基的优化设计提供理论支持，并指导工程应用。本项目针对高速公路粉土地层中的碎石桩复合地基问题，以数值模拟为手段，提出合理的碎石桩复合地基有限元等效建模方法，着重从碎石桩复合地基固结特性、抗液化能力和考虑碎石桩侧向挤出时的承载及变形特性等方面开展研究工作，深化碎石桩复合地基的机理研究。

数值计算采用平面有限元方法进行计算，计算模型中路面宽度28 m，路堤高度4 m，路堤上方为0.69 m的沥青混凝土面层，边坡系数为1.5，路堤分4层进行填筑施工。地基的计算区域如下：地基宽度为80 m，路堤下地基深度为30 m。计算边界为：底部固定边界，两侧为侧限边界，地下水位位于路堤底面。计算模型中模拟了桩长为6 m、8 m、10 m、12 m、14 m，桩径为0.5 m，间距均为1.5 m的碎石桩复合地基。计算模型如图1所示。

图1 碎石桩复合地基模型

2 数值计算结果分析

计算了桩长为6～14 m的复合地基和天然地基等几种情况。从计算结果可见，天然地基和复合地基中的超静孔压均在路堤下方的下卧层中有较大的发展，碎石桩加固范围内超静孔压消散较快，桩长对地基中最大孔压的影响如图2所示,桩长为0的是天然地基，从计算结果可见，天然地基中的孔压最大值为 22 kPa，桩长为 6 m、8 m、10 m、12 m、14 m的碎石桩复合地基中孔压最大值分别为7 kPa、6 kPa、5 kPa、4.3 kPa、3.5 kPa。 可见在地基中打设碎石桩后地基中的孔压发生明显的降低，且桩长越大地基中超静孔压值越小。

图2 桩长对复合地基中最大孔压值的影响

计算分析了交通运行15年后地基中的沉降量发展,表明沉降量主要分布于路堤底面中心的位置。路堤中心位置土层深层沉降情况如图3所示，在碎石桩体加固范围内（6～14 m内）桩长越大深层沉降量越小,而碎石桩下卧土层中的深层沉降量较接近。图4为路堤底面中心位置的沉降量，天然地基路堤底面中心沉降量约为134 mm,随着桩长的增大堤底面中心沉降量降低,桩长为14 m时约为125 mm。

水平位移量较大的区域主要位于路堤坡脚下方一定深度的范围内，桩长对路堤坡脚位置深层水平位移量的影响如图5所示，可见在坡脚的深层水平位移有两个极值点，一个位于1 m深度，另一个介于6～14 m（桩底端位置），在小于15 m范围内桩长越长深层水平位移量越小,大于15 m时桩长对深层水平位移量影响较小。

图3 土层深层沉降

图4 路堤底面中心位置的沉降量

图5 路堤坡脚深层水平位移量

3 总结

通过数值计算分析了碎石桩复合地基在静荷载作用下的受力特性，得到以下结论：碎石桩具有较好的排水固结作用，复合地基中的孔压比天然地基有较大的降低,且桩长越长复合地基中的孔压越低。碎石桩体加固范围内桩长越大深层沉降量越小，而碎石桩下卧土层中的深层沉降量较接近。水平位移量较大的区域主要位于路堤坡脚下方一定深度的范围内，深层水平位移有两个极值点,一个位于1 m深度，另一个位于桩底端位置，桩长越长深层水平位移量越小。