刚柔性长短桩加固港口铁路双层软土地基研究

胡永涛，陈广飞，李照东，章定文，杨鹏

（1.连云港港务工程公司，江苏 连云港 222042；2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096）

0 引言

利用吹填淤泥填海造陆已成为缓解沿海城市土地资源紧张局面的重要手段，但吹填淤泥层的强度及承载力极差，需要采用真空预压处理以满足后续二次处理中施工设备承载力要求[1-2]。由吹填淤泥层和下层天然海相沉积软土层形成双层软弱地基的二次处理是工程界面临的技术挑战。

刚柔性长短桩是在刚性长桩基础上用柔性短桩改良桩间土后形成的一种新型地基处理形式，该地基加固技术已成功应用于建筑地基处理[3-6]。鉴于该方法在控制沉降方面的技术优势，港口、公路、铁路等工程中双层软弱地基的加固也开始采用该技术。刚性桩复合地基的土拱效应和拉膜效应等已取得了丰富的研究成果[7-9]，但目前刚柔性长短桩复合地基处理双层软弱地基的研究实例较少，其加固效果和加固机理等有待进一步研究。

本文依托连云港港旗台作业区某铁路软基处理工程，基于现场工程条件建立数值分析模型，从地基变形、桩土应力分担和格栅变形等方面对3种加固工况下（刚柔性长短桩、刚性长桩、柔性短桩）的加固效果进行对比分析，揭示路堤荷载下刚性长桩和柔性短桩对地基性能的增强作用，探讨柔性短桩的介入对原有刚性长桩复合地基的土拱效应和拉膜效应的影响规律。

1 工程概况

试验场地位于连云港港陇海铁路连云港站以东4.5 km处，路基设计等级为专用线Ⅳ级，试验区域原滩面标高为-2.5～-4.9 m，现地面标高为5.6～7.0 m，吹填软土层平均厚度为9.5 m。吹填软土层下部为天然海相沉积软土层，其底面标高为-33.0～-21.9 m，平均厚度为28.3 m，天然海相沉积软土层以下依次为粉质黏土层、黏土层。吹填软土层经真空预压初步处理后形成地表硬壳层可满足二次地基处理施工设备进场要求。地下水位约在地表以下0.3 m处。

结合地层特点和上部荷载要求，采用刚柔性长短桩处理该双层软土地基，其中刚性长桩采用预应力混凝土薄壁方桩（以下简称预制方桩），柔性短桩采用钉型双向搅拌粉喷桩（以下简称钉型粉喷桩）。预制方桩呈正方形布置，中间隔排设置钉型粉喷桩，坡脚处布置2排钉型粉喷桩，如图1所示，预制方桩桩间距为3.4 m，桩体横截面尺寸为0.45 m×0.45 m，内径为0.25 m，混凝土强度等级C80，桩长打入粉质黏土层1 m以上。预制方桩顶部设置1.6 m×1.6 m×0.4 m现浇钢筋混凝土桩帽，混凝土等级为C30。钉型粉喷桩桩长15 m，上部扩大头桩径0.9 m，高4 m，下部桩径0.5 m，桩长11 m，采用C45矿渣水泥，水泥掺入量为15%。桩帽上铺设50 cm碎石垫层，在碎石垫层中夹铺1层双向高强经编聚酯土工格栅。碎石垫层上方路堤填筑高度为1.7 m。

图1 监测点布置示意图（m）Fig.1 Arrangements of monitoring transducers(m)

为监测填土荷载下地基变形及桩土荷载传递等规律，在路堤中心处桩顶和桩间土上布设沉降板和土压力盒，坡脚1.5 m处埋设测斜管，如图1所示，其中沉降板（SP1～SP3）分别用来监测预制方桩桩顶、钉型粉喷桩桩顶及桩间土地表沉降，土压力盒（E1～E7）用来监测预制方桩桩顶、钉型粉喷桩桩顶及桩间土土压力，测斜管（I）用来监测坡脚处土体侧向位移。

2 数值模型建立

2.1 数值分析模型

考虑现场工程地质条件及路基结构的对称性，取一半实体建模。由于桩体在路堤纵向不连续，地基实际是三维情况，但考虑到路堤为长条形结构，将路堤简化成平面应变问题。模型计算深度取2倍刚性桩长度（70 m），计算宽度取半幅路堤宽度的3倍（50 m），如图2所示。同时在刚柔性长短桩模型基础上分别建立刚性长桩和柔性短桩计算模型。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model

模型基本假定：模型左、右边界水平方向位移均为0，其竖向方向允许发生位移，模型下边界任意方向变形为0；桩土接触面性质不随时间变化；不考虑桩基施工过程影响；地基底部及两侧均为不透水边界，地表为透水边界。

2.2 参数取值

刚性长桩、桩帽及钉型粉喷桩均假设为线弹性材料，路堤填土、地基土及碎石垫层均为弹塑性材料且满足摩尔-库伦破坏准则。

土工格栅抗拉刚度取2 000 kN/m，桩体与桩周土体界面设置接触单元，其法向方向采用硬接触，切向方向采用小滑动库伦摩擦模型，摩擦系数取0.35。

材料与土层物理力学指标参数见表1。

表1 数值计算模型中材料与土层物理力学指标参数Table 1 Physical and mechanical parameters of materials and soils in model

3 试验结果与分析

3.1 现场试验结果分析

从表2中可以看出，桩间土沉降量大于桩体，刚性长桩桩土差异沉降大于柔性短桩，填土荷载向刚性长桩和柔性短桩桩顶集中，且刚性长桩应力集中远高于柔性短桩，取图3单元体分析，桩间土的受荷面积占总面积比例达61.3%，但只承担了23.4%的荷载。从图4坡脚处水平位移实测值可以看出，水平位移在0～5 m深度内基本不变或略微增大，其最大水平位移为9.5 mm，从该深度往下水平位移逐渐减小，最大水平位移发生在浅层吹填土层中。现场实测结果表明采用带桩帽的预制方桩和带扩大头的粉喷桩能够有效提高桩体荷载分担比，减小软土地基沉降变形。

表2 地基沉降变形及载荷试验桩土荷载分担Table 2 Foundation settlement deformation and load sharing on pile,column and soil of load test

图3 单元体布桩图Fig.3 Layout of piles and columns in a cell

图4 水平位移实测值Fig.4 Measured value of horizontal displacement

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 沉降变形

图5为经刚柔性长短桩、刚性长桩及柔性短桩加固后地表最大沉降量随填高变化规律。

图5 各级填土荷载下地表沉降变化曲线图Fig.5 Change curve of surface settlement under various loading conditions

从图中可以看出，填高5 m时，上述3种工况产生的最大沉降量分别为106 mm、111 mm和255 mm，经柔性短桩加固后的地基最大沉降量远大于刚柔性长短桩和刚性长桩，表明地基沉降主要由刚性长桩控制，相同情况下经刚性长桩加固后的地基沉降量仅为经柔性短桩加固后的33%～46%，加入柔性短桩能够在一定程度上减小地基沉降，但作用不明显。

图6为经刚柔性长短桩、刚性长桩及柔性短桩加固后路堤中心桩土差异沉降量随填高变化规律。从图中可以看出，填高5 m时，上述3种工况下桩土差异沉降量分别为7 mm、12 mm和4 mm，经刚性长桩加固后的桩土差异沉降量最大，而经柔性短桩加固后的桩土差异沉降量最小，在刚性长桩中加入柔性短桩能够减小21%～41%的桩土差异沉降。这对低路堤（如本文路堤仅为1.7 m）情况下减少路堤表面不均匀沉降很有意义。

图6 各级填土荷载下桩土差异沉降变化曲线图Fig.6 Change curve of differential settlement of pile-soil under various loading conditions

3.2.2 桩土压力

图7为经刚柔性长短桩、刚性长桩和柔性短桩加固后的桩土应力随填土高度变化规律。

图7 各级填土荷载下桩土应力变化曲线图Fig.7 Change curve of pile-soil stress under various loading conditions

从图中可以看出，3种工况下桩土应力均随填高增加而增大，经刚柔性长短桩和刚性长桩加固后的地基桩土应力集中程度远高于经柔性短桩加固后的地基。刚柔性长短桩地基中路堤荷载向刚性长桩的集中程度远高于柔性短桩，这与现场实测一致，加入柔性短桩能够减小刚性长桩桩顶压力，提高桩间土承载能力。

3.2.3 格栅变形

图8为填高5 m时经刚柔性长短桩、刚性长桩和柔性短桩加固后土工格栅应变曲线图。从图中可以看出，土工格栅变形是不均匀的，桩帽及桩间土上的格栅拉伸变形较小，最大拉伸变形发生在桩帽边缘处，在刚性长桩中加入柔性短桩能够显著减小格栅变形，而柔性短桩地基中土工格栅变形很小，基本不能发挥其调节作用。

图8 土工格栅应变曲线图（填高5 m）Fig.8 Geogrid strain curves(fill height 5 m)

3.2.4 桩身应力

图9为填高5 m时经刚柔性长短桩和刚性长桩加固后地基中刚性长桩桩身应力变化曲线。

图9 刚性长桩桩身应力变化曲线（填高5 m）Fig.9 Pile stress curves of rigid long piles(fill height 5 m)

从图中可以看出，刚性长桩地基中桩身应力最大值为470 kPa，中性点深度为15 m，加入柔性短桩后刚性长桩桩身应力最大值减小到386 kPa，中性点位置上升6 m，表明在刚性长桩中加入柔性短桩能够减小刚性长桩桩身应力和桩身负摩阻力，提高中性点位置。这表明刚柔性长短桩基础处理新近沉积的吹填土地基，减少桩基负摩阻力具有技术优势。

3.2.5 土拱效应

1）土拱效应云图

图10为填高5 m时经刚柔性长短桩和刚性长桩加固后路堤桩土大主应力矢量图。从图中可以看出，由于桩帽间土的应力松弛，大主应力朝桩间方向明显偏转形成大致平行于相邻桩帽之间的土拱，土拱的发生范围主要从桩帽边缘附近开始向上并向桩间发生，经刚性长桩加固后的路堤会在桩间形成如图10（b）的大拱，当增加柔性短桩后，在原来大拱的基础上又会形成图10（a）所示的小拱。

图10 填高5 m时桩土大主应力矢量图Fig.10 Pile-soil maximum principal stress vector(fill height 5 m)

2）土拱效应系数

土拱的强度状态可以用土拱效应系数Sr来表征，Sr为桩间土上的平均应力与上部荷载（包括填土自重和路面荷载）的比值，Sr越小则土拱效应强度越高。图11为经刚柔性长短桩、刚性长桩和柔性短桩加固后地基土拱效应系数随填土高度变化曲线。从图11中可以看出，土拱效应系数随填土高度增加而减小，当填土达到一定高度后，土拱效应系数趋于平缓，表明此时已经形成完全土拱，3种工况下刚性长桩地基形成完全土拱的填土高度最低（2～3 m），刚柔性长短桩地基形成完全土拱填土高度为3～4 m，主要原因是柔性短桩的加入对刚性长桩大拱的发挥有一定的抑制作用，同时，3种工况下形成完整土拱时刚性长桩地基对应的土拱效应系数最小（0.19）、刚柔性长短桩次之（0.30）、柔性短桩最大（0.52），表明形成完整土拱时刚性长桩土拱强度最高。

图11 土拱效应系数随填土高度变化曲线图Fig.11 Curve of soil arch effect coefficient with height of filling soil

4 结语

1）采用带桩帽的预制方桩和带扩大头的粉喷桩能够有效处治双层软土地基，提高地基承载力和减小地基沉降变形。

2）刚柔性长短桩地基中，荷载主要向刚性长桩桩顶集中，刚性长桩为沉降和承载控制主要结构，柔性短桩的加入能够明显的改善桩间土承载力，降低刚性长桩的应力集中效应，减小桩土差异沉降和刚性长桩桩身负摩阻力。

3）路堤荷载作用下，刚性长桩间会形成较大土拱，加入柔性短桩后则会形成较小土拱，进而减小路堤临界高度，减小路堤顶面的不均匀沉降。

4）土工格栅变形是不均匀的，桩帽及桩间土上的格栅拉伸变形较小，最大拉伸变形发生在桩帽边缘处，刚性桩复合地基中加入柔性桩能够减小格栅变形。