长短桩布桩方式对复合地基沉降变形影响研究

刘彬

摘要：针对蒙华铁路岳阳段软土和松软土地基问题，为了有效控制地基沉降，提出了采用分离式布桩和交叉式布桩的长短桩复合地基加固方案。基于离散元颗粒流仿真技术分析两种布桩形式、不同桩间距对软土地基沉降的影响规律和机理，提出合理的加固方案并通过现场测试验证。研究表明：① 分离式布桩和交叉布桩下，复合地基最大沉降位移/樁体最大沉降位移均与桩间距均呈指数函数分布;② 分离式布桩复合地基最大沉降位移出现在地基面上两种桩型的衔接处，桩体最大沉降位移出现在两种桩型衔接处的多向搅拌桩桩顶位置。③ 交叉式布桩复合地基最大沉降位移出现在地基面上的线路中心线处，桩体最大沉降位移出现在加固地基顶面中线附近的多向搅拌桩桩顶。④相同桩间距条件下，分离式布桩复合地基沉降和路基面宽度范围内地基的不均匀沉降量明显小于交叉式布桩复合地基。

关 键 词：沉降; 长短桩; 布桩方式; 离散元; 桩间距; 地基沉降

软土地层工程性状无法满足地基变形和稳定性要求，且在地震等外部荷载作用下极易发生大变形、土体液化、失稳以及塌陷等灾害，因此在工程建设时期对软土的加固处理是十分必要的，国内外学者也围绕软基加固开展了大量工作[1-2]。

岂连生[3]、王步云等[4]基于现场试验和计算研究了低等级混凝土桩和振密砂石桩复合地基的加固机理和荷载传递规律，但并未其加固机理进行分析研究。陈强[5]借助FEM模拟分析了3种不同加固形式复合地基的变形和沉降特性，但并未对其数学变化规律进行分析研究。王瑞芳等借助ABAQUS对加网复合地基的应力变形进行了分析计算并与现场实测结果进行对照分析，验证其可行性[6]。黄斌等针对具体工程对桩-网复合地基设计中的桩间距进行了模拟分析和实测验证[7]。张世尧等[8]、白晓红等[9]借助室内力学试验和现场载荷试验对复合地基中的桩长进行了优化设计，并得到最优置换率。韩煊等[10]、郑俊杰等[11]研究了石灰桩与深层搅拌桩组合桩的加固机理，并得出石灰桩对土体挤密作用与复合垫层的减载作用能够起到控制变形和提高承载力的结论。杨军龙等[12]、邓超[13]、尚新生等[14]、余锦地等[15]借助数值方法研究了长短桩桩土作用、荷载传递机理、应力分布规律。

综上所述，学者们从有限元数值模拟、现场测试、设计计算以及理论分析等方面展开了不同角度的研究，且取得了不少成果。然而针对软土地基颗粒特性，采用不同桩基加固方式、布桩方式和桩间距等对加固后地基沉降的离散元分析研究和沉降变形数学规律方面的较少。本文结合蒙华铁路岳阳段特殊的软土地层特性，基于长短桩加固软土地基理论和PFC离散元原理，分析了螺纹桩与水泥搅拌桩布置形式和桩间距对复合地基、桩体沉降的影响规律，并提出了设计方法，最后通过现场试验进行了验证分析，希望能为类似软基处理工程提供一种新的研究思路和方法。

1 工程概况及地质条件

新建蒙西至华中地区铁路煤运通道工程是目前已建、在建重载煤运铁路中地基条件较为复杂的一条铁路干线，其中岳阳段地区多以松软土和软土为主，软基长约43 km。表层覆盖第四系冲洪积的软土和松软土（以软塑、可塑的粉质黏土为主）地层，一般地段厚度 8～15 m，局部地段达 20 m 以上，且存在多透镜体、软硬互层或夹硬层情况，工后沉降和稳定控制困难，详细工程地质情况及施工等级如表1所示。

2 长短桩加固软土地基原理及模型建立

2.1 长短桩复合地基加固机理

长短桩复合加固地基的处理方式是指由长桩、短桩、桩间土、褥垫层和下卧层组成的复合式地基。长、短桩可以选用相同桩型或者不同桩型，且长桩刚度较大，短桩刚度较小或为散粒体材料桩。一般来讲，长桩能够承受较大荷载，负责将上部荷载传递下来，往往会嵌入持力层;短桩能够提高地基土体的置换率，提高了土体的承载力。

2.2 PFC原理及模型建立

2.2.1 离散元法建模基本原理与假设

（1） 基本原理。首先将研究对象划分为相互独立的单元，依据单元间相互作用和牛顿第二定律，进行循环迭代（动态松弛法或静态松弛法）计算，确定每一个时间步长内单元的受力及位移，并对单元进行位置更新、跟踪计算，即可得到整个研究对象的宏观运动规律。

（2） 基本假设。选取时间步长足够小，单独时间步长内，仅考虑选定单元和与其接触的单元;在任意时间步长内，速度和加速度恒定;在任意时刻单元所受到的作用力只取决于选定单元和与其接触的单元。

2.2.2 参数选取分析及模型建立

选取长短桩复合地基加固软土地层，长桩采用刚形螺纹桩，短桩采用多向水泥搅拌桩;为了更好地指导施工，节约成本，借助离散元颗粒流PFC2D软件将长、短桩的单元简化为簇形的刚性单元，单元之间的接触为柔性点接触，允许有一定的重叠，详细模型参数如表2所示。

依据离散单元颗粒介质运动过程及相互作用规律得到相应的模型。建立了分离式布桩和交叉式布桩两种布置方式下桩间距为3.5D，4.5D，5.5D，6.5D等4种工况离散元模型（见图1）。模型参数如表3所示。

3 布桩方式对复合地基及桩体沉降影响

3.1 布桩形式对沉降影响

分析图2～3可得出：① 分离式布桩复合地基最大沉降位移和桩体最大沉降位移均小于交叉布桩复合地基;② 随着桩间距的增大，复合地基最大沉降位移差异先减小后增大，其中差异最小桩间距为5.5D，桩体最大沉降位移与地基呈相同的变化规律。

为复合地基最大沉降位移与桩体最大沉降位移之比随桩间距变化直方图。分析可得：① 分离式布桩复合地基最大沉降位移与桩体最大沉降位移之比随桩间距增大是先增大后降低，但整体变化幅度较小，当桩间距不大于4.5D时，变化幅度最小;②交叉式布桩形式复合地基最大沉降位移与桩体最大沉降位移之比随桩间距增大而逐渐增大，整体变化幅度相对较大。

3.2 布桩形式对地基沉降空间分布规律影响

根据两种布桩形式对复合地基及桩体沉降影响规律见图5～6，进一步得出：① 分离式布桩在坡脚以内对地基的沉降控制作用明显，但随着桩间距增加，地基沉降随之增大，控制作用减弱;② 交叉布桩地基在坡脚范围内对地基沉降控制作用明显，同样随着桩间距的增加，控制作用减弱;③ 相同的桩间距条件下，分离式布桩地基沉降明顯小于交叉式布桩地基，并且路基面宽度范围内地基的不均匀沉降量显著小于交叉式布桩地基。

3.3 桩间距对沉降影响

3.3.1 分离式长短桩布置形式

根据分离式布置的长短桩复合地基模型计算结果，得到复合地基最大沉降位移、桩体最大沉降位移与桩间距的关系图（如图7～8所示）。由图可知：①复合地基的最大沉降位移出现在地基面上的两种桩型衔接处;② 桩体最大沉降位移出现在两种桩型衔接处的多向搅拌桩桩顶位置;③随着桩间距的增大，复合地基最大沉降位移和桩体最大沉降位移均与桩间距呈指数函数分布，且当桩间距不大于5.5D时，桩体最大沉降位移变化量相对较小。

3.3.2 交叉式长短桩布置形式

根据交叉式布置的长短桩复合地基模型分析结果，得到复合地基最大沉降位移、桩间最大沉降位移与桩间距的关系图（如图9～10所示）。由图可知：① 复合地基最大沉降位移出现在地基面上线路中心线处;②桩体最大位移出现在加固地基顶面线路中线附近的多向搅拌桩顶;③ 随着桩间距的增大，复合地基最大沉降位移和桩体最大沉降位移均与桩间距呈指数函数分布，且当桩间距不大于5.5D时，复合地基最大沉降位移和桩体最大沉降位移变化量均相对较小。

4 现场测试

由PFC模拟分析结果可知：相同的桩间距条件下，分离式布桩地基沉降明显小于交叉式布桩地基，并且路基面宽度范围内地基的不均匀沉降量显著小于交叉式布桩地基。当桩间距不小于5.5D时，桩体最大沉降位移变化量相对较小。结合现场施工工艺，该运煤专线，选取分离式布桩方式，桩间距为5.5D。本项目中剖面测量断面共计 3个，其里程分别为 DK1408+000、 DK1408+200 与 DK1408+380，设置3个沉降板、2个沉降观测柱、2个边柱、1处单点沉降计等（见图11）。

points arrangement 根据现场实测结果汇总得到分离式长短桩加固复合地基的沉降时程曲线如图12所示。分析可知：路堤填筑期间，地基表面沉降增长较快，填土期结束后，沉降逐渐趋于平缓。路基下方地基表面沉降大于两侧边坡下方地基表面，说明长桩区的地基表面沉降值显著大于短桩区：① 对于DK1 408+000断面，其路基中心下方地基表面沉降稳定值为7.2 cm，两侧边坡下方地基表面沉降分别为5.0 cm与4.0 cm;② 对于DK1 408+200断面，上述基下方地基表面沉降稳定值为7.5 cm，两侧边坡下方地基表面沉降分别为4.0 cm与3.2 cm。试验结果均比离散元颗粒模拟较小，变化幅度分布为5.8%，9.5%，离散元结果可以作为设计依据。该现象可解释为，因为长桩区上部路堤填筑高度显著大于短桩区，造成其承受的上部荷载远大于短桩区，虽路基面下方地基采用较长的刚性螺纹桩进行加固，两侧边坡下方路基采用较短的柔性搅拌桩进行加固，但是荷载效应显著大于加固效应。

通过对比两个断面对应位置的地表沉降，可近似达到对比相邻位置的桩顶沉降与桩间土沉降的目的。无论长桩区还是短桩区，桩体与桩周土之间均存在差异沉降，例如路基中间位置对应的地表沉降，DK1 408断面上该值为7.2 cm，DK1 408+200断面上该值为7.5 cm，桩间土比桩顶多沉降0.3 cm。

5 结 论

本文针对长短桩布桩方式，对运煤专线复合地基沉降开展离散元仿真模拟研究和现场检测分析，得出以下结论。

（1） 不同的布桩方式下，复合地基最大沉降位移、桩体最大沉降位移随桩间距分布关系不变，均为指数函数;且桩间距不大于5.5D时，复合地基最大沉降位移、桩体最大沉降位移随桩间距变化幅度相对较小。

（2） 不同的布桩形式影响复合地基最大沉降位移和桩体最大沉降位移及空间分布。分离式布桩最大沉降位移出现在地基面上两种桩型衔接处，桩的最大沉降位移出现在两种桩型衔接处的多向搅拌桩桩顶位置。交叉式布桩地基最大沉降位移出现在地基面上线路中心线处，桩体的最大位移出现在加固地基顶面线路中线附近的多向搅拌桩顶。

（3） 相同的桩间距条件下，分离式布桩地基沉降明显小于交叉式布桩地基，并且路基面宽度范围内地基的不均匀沉降量显著小于交叉式布桩地基。分离式布桩比交叉式布桩控制沉降效果较好，桩间距建议不大于5.5D。

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（编辑：郑 毅）