路堤下CFG桩-筏复合地基桩土应力分析及地基反力模型探讨

刘常虹，刘德煊，侯文韬

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 前 言

桩-筏复合地基借鉴了房建工程中CFG桩复合地基通过砂石垫层调节地基中桩土荷载分配的思路，并使其发展成为高速铁路路基工程中控制工后沉降的一种手段。路基工程中桩-筏复合地基主要承担路基的柔性荷载，区别于房屋建筑中与上部结构有相互作用的刚性基础，但由于在路堤填土下设置刚度远大于以路堤填土的钢筋混凝土板作为筏板的刚度，使其区别于一般的路堤填土等柔性荷载。桩土应力比反映了复合地基的工作性状，目前，国内对刚性基础下CFG桩复合地基的桩土应力比、荷载传递规律做了较多研究，取得了丰富的研究成果。其中，对于诸如路堤等柔性基础下CFG桩复合地基桩土应力比问题，近年来颇受学术界重视，但对路堤下增设混凝土板的CFG桩复合地基的研究工作却较少。现有实测结果表明，桩土应力比值在20～120间，离散性较大，规律性较差。因此，进一步加强路堤下CFG桩-筏复合地基桩土应力比现场试验研究是十分必要的。

本文在某路堤试验段的基础上，对路堤填筑过程中监测到的桩土应力比曲线进行分析，研究了桩-筏复合地基筏板下的受力与变形特性，得出了桩土应力比变化规律，并对筏板下地基反力模型进行了探讨，对路堤荷载下CFG桩-筏复合地基的基理研究提供思路。

1 现场试验概况

1.1 工程概况及地质情况

为满足工后沉降要求，某路堤试验段采用“CFG桩+碎石垫层+筏板”联合“CFG桩+碎石垫层+土工格栅”的地基处理方案。CFG桩采用正方形布置(筏板正下方与筏板外侧桩间距不同)，桩径0.5 m，桩长14 m，桩端位于可压缩层；筏板为C30混凝土，厚度50 cm；碎石垫层厚度50 cm。路堤填筑结束后进行堆载预压。

试验段地形平坦，多辟为水田、鱼塘。表层为粉质黏土，褐灰色，软塑～硬塑，厚0～9.8 m；其下为淤泥质黏土，灰色，软塑，厚0～11.6 m。试验段面土层性质见表1。

1.2 试验元件及其埋设

试验段采用钢弦式土压力盒测试桩顶和桩间土应力，采用2 MPa和0.6 MPa两种量程，并且在埋设前进行了标定。土压力盒埋设于筏板下碎石垫层底部桩顶形心处和两桩间形心处(见图1)。桩顶采用大量程土压力盒，桩间土采用小量程土压力盒。

表1 试验段面土层性质

图1 试验段土压力盒现场埋设示意

1.3 路基填筑曲线

试验段在CFG桩养护达到龄期要求后，2008年12月23日开始铺设碎石垫层、浇筑筏板。筏板养护完成后于2009年3月10日开始逐层填筑路基土，2009年5月11日开始超载预压，并于2009年12月28日卸去超载土方。试验段路基填筑时间曲线如图2所示，其中，时间节点1、节点2、节点3、节点4分别表示填筑改良土、填筑完成、超载预压、卸去超载土方。

图2 路基填筑时间曲线

2 测试结果与分析

2.1 桩土应力比

2.1.1 桩土应力比-荷载-时间曲线

试验结果表明，筏板下方各处桩土应力比的变化与路堤填筑的变化密切相关，筏板下各处桩土应力比-荷载-时间曲线如图3所示。根据路堤的填筑情况，桩土应力比的发展历程可分为四个阶段。

(1)在垫层铺设和筏板浇筑阶段，路堤荷载小于20 kPa，桩顶应力和桩间土应力都不大，应力增长相当，桩土应力较小。

(2)路基填筑开始后，筏板下各处桩土应力比随着荷载的增加而增大。这是由于地基土的变形模量小于CFG桩，土的沉降将大于桩顶沉降，导致桩土出现不协调的变形，且桩顶出现应力集中现象，桩土应力比增大。

(3)超载预压后，路堤荷载稳定，桩土应力比继续增大，至超载预压后期趋于稳定。这是因为预压土为一次性填筑，预压土荷载初期主要由桩间土承担，之后桩土间产生差异沉降，桩顶刺入量增大，桩土应力重分配，荷载逐渐由桩间土向桩顶转移，桩土应力比逐渐增大；后期沉降趋于稳定时，桩土应力比也趋于稳定。

(4)卸载后，桩土应力比迅速减小，但很快趋于稳定。这是因为卸载后路堤荷载减小，以致桩顶应力迅速减小，而由于桩间土应力变化较小，桩土应力比也迅速减小。卸载后试验段沉降基本稳定，因此桩土应力比也快速趋于稳定，波动较小。

图3 筏板下各处桩土应力比-荷载-时间曲线

由图3可知，桩土应力比沿路基横向呈现明显的空间规律。恒载后期试验段平均桩土应力比为32.6；最大桩土应力比发生在筏板边缘，约为57.7；中间桩处为13.8，约为边缘处的24%；中桩处为26.0，约为边缘处的45%。

2.1.2 桩土应力比-沉降-时间曲线

试验段筏板下平均桩土应力比与沉降的对比关系曲线如图4所示。此处沉降为实测的桩间土沉降，由于桩顶沉降远小于桩间土沉降，故桩间土沉降一定程度上代表桩土差异沉降。由图4可知，筏板下桩土应力比与沉降有很好的对应关系，桩土应力比随沉降的增大而增加。路堤填筑期间，沉降曲线较陡，此阶段桩侧摩阻力迅速增大，桩土应力比也迅速增加。超载预压初期，沉降继续发展，桩土沉降差继续增大，桩土应力比也继续增大；后期，沉降趋于稳定后，桩土应力比也趋于稳定。卸载后，沉降有微小反弹，桩土应力比筏板下桩土应力重分配，桩土应力比减小幅度较大。这是因为荷载减小后，筏板下桩顶应力减少幅度大于桩间土应力减少幅度。卸载一段时间后，沉降趋于稳定，桩土应力比也趋于稳定。

2.2 荷载分担比

假定筏板下桩顶应力和地基土应力都是均匀分布，且每根CFG桩的影响范围(2.4 m×2.4 m)相同，则可得筏板下桩土荷载分担百分比。桩土的荷载分担比用桩土应力比表示为：

(1)

(2)

式中，δp、δs为桩、土荷载分担比；m为复合地基置换率；n为筏板下平均桩土应力比。试验段桩土土荷载分担比随着路基填筑的变化曲线如图5所示。

图4 筏板下平均桩土应力比与桩间土沉降对比曲线 图5 筏板下桩土荷载分担比-荷载-时间曲线

由图5可知，随着荷载的增加，筏板下方CFG桩承担荷载比例呈现明显的增长趋势。加载初期(筏板浇筑)上部荷载较小，CFG桩高承载力特性未显现出来，荷载主要由桩间土承担。随着路堤的填筑，由于桩的刚度远大于桩间土刚度，桩承担的荷载迅速增加。填土间歇期，受桩土沉降差的影响，桩、土承担的荷载稍有调整。荷载稳定初期，桩承担的荷载比例继续增大；后期桩体荷载分担比达到51.3%。卸载后，桩、土压力均有所减少，但桩顶应力的减小幅度远大于桩间土；稳定后桩体荷载分担比降低至39.8%，说明上部荷载越大，筏板下桩体承担的荷载就越大。

2.3 路基横断面地基反力分布

试验段路基横断面地基反力分布如图6所示。由图6可知，土压力沿路基横断面呈锯齿状分布，桩顶应力明显大于桩间土应力。2008年12月23日，筏板浇筑结束后，筏板下各处桩顶应力大小相当。路基开始填筑后，随着荷载的增长，桩顶应力与桩间土压力均呈增长趋势，但筏板下边桩T1-5处应力增长最快。恒载后期，桩土应力稳定后，边桩T1-5桩顶应力为1 650 kPa，是中间桩T1-9的1.37倍，是中间桩T1-7的2.42倍。这表明筏板下桩的承载能力发挥效果与桩所在位置关系密切，路基荷载下增设混凝土板后相当于刚性基础，而均布荷载的情况下，刚性基础下边桩应力最大。

图6 试验段路基横断面基地反力分布

3 筏板下地基反力模型

试验段超载预压后，桩顶平面处路堤荷载为124 kPa，而桩土应力稳定后根据实测的桩顶土压力与桩间土压力反算得到的路堤荷载为89 kPa，为实际荷载的71%；卸载后，桩顶平面处路堤荷载为64 kPa，桩土应力稳定后反算得到的路堤荷载为56 kPa，为实际荷载的87%。

由于桩-筏复合地基在桩顶平面处将路堤荷载分配给桩和桩间土之后，桩间土将在这部分荷载作用下产生压缩变形。但由于同一水平面上桩的沉降变形小于桩间土沉降，桩间土的压缩变形又受到桩的制约，其沉降曲线呈现漏斗形(见图7)，并在桩间土中产生了土拱作用，土拱拱脚支撑由桩侧摩阻力提供。这说明桩间土在桩顶平面上的应力并非均匀分布，实测的两桩间形心处应力不能完全代表桩间土应力。桩顶平面处桩间土应力实际由两部分组成，一部分是由桩间土自身承担的荷载引起的桩间土应力，这部分应力基本均匀分布；另一部分是由桩侧摩阻力引起的桩间土附加应力，这部分应力随着与桩距离的增大而衰减，其最大值位于桩侧壁，数值上等于桩侧摩阻力，最小值位于两桩间形心处——漏斗形沉降曲线底部，沉降曲线横向梯度为零，可近似认为此处摩阻力引起的桩间土附加应力为零。结合实测结果可获得试验段筏板下地基反力模型，如图7所示。在图7中，σp为筏板下桩顶应力；σs为筏板下两桩间形心处的土应力；τ为桩侧摩阻力；d为CFG桩直径；S为桩间距。

图7 CFG桩-筏复合地基筏板下地基反力模型

由以上分析可知，试验段路堤荷载为124 kPa时，由桩侧摩阻力引起的桩间土附加应力承担29%；路堤荷载为64 kPa时，承担13%，说明上部荷载越大，这部分应力所承担的荷载比例就越大。这是因为上部荷载越大，桩侧摩阻力越大，其对桩间土影响的范围就越大。桩侧摩阻力为该处桩与土间的摩擦力，其表达式τ为：

τ=KσStanφ′+c′

(3)

式中，φ′和c′分别为桩与土间的摩擦角和黏聚力；K为桩间土作用于桩侧的土压力系数，由于桩间土接近于侧限状态，K可按静止土压力系数计算，即K=K0=1-sinφ，其中φ为桩间土的内摩擦角。

所以，由桩侧摩阻力引起的桩间土附加应力在两桩间的分布形态受上部荷载、桩与土间的摩擦角和黏聚力等因素影响，具体分布曲线有待进一步研究。

4 结 论

本文通过现场试验研究，深入剖析了桩-筏复合地基桩顶、桩间土的应力，以及桩土应力比随荷载、固结时间及沉降的变化规律，并分析了桩、土应力空间的分布规律，探讨了筏板下基地反力模型，得到以下结论。

(1)桩-筏复合地基中，随着荷载和时间的增长，桩土应力比轻微波动并总体呈增大趋势。恒载期初期，桩土沉降差随时间继续增长，荷载进一步向桩顶转移，桩土应力比继续增大；当恒载期后期趋于稳定后，筏板下桩土应力比为13.8～57.7，平均桩土应力比为32.6。

(2)路基填筑初期，上部荷载主要由桩间土承担，随着荷载和时间的增长，桩顶荷载分担比逐渐增大。恒载期后期，桩顶荷载分担比达到51.3%，卸载后桩体荷载分担比降低至39.8%。

(3)筏板下桩的承载能力发挥效果与桩所在位置关系密切，筏板下边桩桩顶应力最大，路堤荷载下CFG桩复合地基反力与刚性基础下地基反力类似。

(4)桩间土应力在桩顶平面上非均匀分布，实测的两桩间形心处应力不能完全代表桩间土应力。桩间土应力由两部分组成，一部分是由桩间土自身承担的荷载引起的桩间土应力，这部分应力基本上均匀分布；另一部分是由桩侧摩阻力引起的桩间土附加应力，这部分应力随着与桩距离的增大而衰减。

(5)上部荷载越大，桩侧摩阻力引起的桩间土附加应力所承担的荷载比例就越大。试验段路堤荷载为124 kPa时，由桩侧摩阻力引起的桩间土附加应力承担29%；路堤荷载为64 kPa时，承担13%。