长短桩复合地基作用机理及敏感性分析

2020-07-28 11:48谷成岳

铁道建筑技术 2020年5期

谷成岳

(中铁二十一局集团第六工程有限公司北京 101111)

1 引言

目前对于复合地基处理，学者已经进行了大量研究。焦国木等[1]在邢衡高速公路一期工程的基础上，通过数值模拟，研究了刚柔性长短桩复合地基在高速公路建设当中的桩土应力比和沉降变形的变化规律。李善珍等[2]使用软件进行有限元分析实际工程案例，具体研究了桩长、桩间距以及桩端下部土体刚度等参数对复合地基处理效果的影响。胡永涛等[3]结合连云港某铁路软土地基处理实际，建立有限元模型并进行了现场试验，对长短刚柔性桩的加固机理和地基处理效果进行了分析研究。雷胜友等[4]结合应力莫尔分析方法，对CFG桩、CSC桩分别绘制莫尔圆，进而推算出长短桩协同作用下桩间土强度的计算公式。谢新宇等[5]通过有限元软件建立了刚柔性长短桩模型，分析了褥垫层性质、短桩桩体模量和长桩桩长对地基沉降、桩土应力比以及桩体应力的影响规律。吴忠良[6]以渝黔铁路引入重庆枢纽工程为例，运用该模型对高强预应力管桩、泥浆护壁钻孔灌注桩、水磨钻挖孔灌注桩、内夯沉管灌注桩4种桥梁桩基施工方案进行比选，计算结果表明水磨钻挖孔灌注桩方案最优。李新宇[7]建立了室内缩尺模型，并结合有限元软件分析验证了刚性长短桩复合地基的沉降变形规律，同时利用灰色关联分析方法对影响其沉降变形的因素进行了主要和次要的划分。卞晓飞[8]通过模型试验和数值模拟对刚性长短桩复合地基中长短桩相互作用机理进行了分析。马学宁等[9]通过现场试验，研究了长短桩复合地基沉降规律，并采用数值模拟分析了桩长变化对复合地基沉降和承载特性的影响。田兆斌[10]结合某试验段，分析了长短桩复合的地基沉降变形规律，得出桩间距、桩体刚度等因素对高速铁路长短桩复合地基有较大的影响。陈国升等[11]采用现场试验和数值模拟相结合的方法，研究了长短桩复合地基承载性能。张丽华等[12]对复合地基在竖向荷载下的沉降情况进行分析，得出了竖向荷载作用下的下卧层应力变化规律。桩土的空间作用会产生群桩效应，因此长短桩复合地基承载性能与单桩承载性能之间也将明显不同。

综上所述，复合地基应力传递特性以及地基沉降变形均是重要课题内容，揭示复合路基的承载变形规律具有重要的理论和工程实践意义。荷载作用下会在复合路堤中产生土拱效应，土拱效应的存在会使部分桩的应力和变形加大，因此路堤荷载下复合地基的受力特性、土拱效应的发挥程度以及地基的沉降变形控制等均是需要深入研究的。

2 长短桩复合地基的作用机理

2.1 基本概念

长短桩复合地基主要由桩体受力，而长桩和短桩在复合地基中起的作用又有不同。于是存在以下两种受力形式:(1)在下卧软土层较厚的情况下，短桩主要起到加固地基土的作用，而此时长桩主要发挥进一步加强地基土层的承载能力的作用。这种情况下，长桩承受上部荷载作用大于控制地基沉降的作用，对长桩承载能力要求较高，这种作用形式属于长桩协力型长短桩复合地基。(2)当基底以下存在上、下两层较理想的持力层时，通过将短桩设置在上层持力层的方式，可有效提高复合地基承载力；同时，长桩桩端也伸入到下层持力层，这时通过设置不同的桩体长度和桩体类别，可以充分发挥地基内部两个持力层的承载能力，这时，短桩基本满足承载力的要求，但是针对于湿陷性黄土区，短桩还起到消除湿陷性的作用，而长桩起到主控沉降作用同时可以防止承载力不足的问题，这种形式的长短桩属于控沉型复合地基。长短桩复合地基受力特性一般通过如下基本参数来进行表述:

(1)面积置换率

长短桩复合地基由桩体和桩间土体二者统一作用形成复合地基。假定复合单元面积为A，桩体横断面面积为Ap，长桩横断面面积Ap1，短桩横断面面积Ap2，复合地基置换率为m，桩体面积置换率分别用m1、m2表示，则它们的关系如式(1)所示:

依据复合地基布置形式(见图1)，假定短桩间距为l1，长桩间距为l2，桩体横向间距为a，纵向间距为b，桩径均为d，其中桩间距相同时桩间距用l表示，则针对不同的布置形式的具体公式有:

图1 桩体的布置形式

(2)桩土应力比

长短桩复合地基土体单元在上部荷载作用下，长桩和短桩桩顶竖向应力分别为σp1、σp2，其各自与桩间土体竖向应力σs的比值为n1、n2(桩土应力比)，计算公式如式(2)所示:

由于在实际工程中，桩土应力比并不均匀，因此一般采用桩土应力比平均值。

(3)桩土荷载分担比

桩土应力比继续延伸可得到桩土荷载分担比N，设长桩和短桩承担的上部荷载为Pp1、Pp2，桩间土承担荷载为Ps，各自的桩土荷载分担比为N1、N2，则存在式(3)和式(4)两种计算形式:

2.2 长短桩复合地基的作用机理

长桩和短桩的间隔平面布置，如图2所示。

图2 长短桩复合地基平面布置

由图2可知，三个工作区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ协同组成长短桩复合地基。在路堤荷载作用下，填筑一开始桩与桩间土共同承载，如前所述，褥垫层使得桩与土协同作用，工作Ⅰ区一般采用挤密桩等柔性桩加固地基；工作Ⅱ区一般采用CFG桩等刚性桩减少地基土体变形，控制沉降，有如下几个工作阶段:

第一阶段，桩土压缩模量的不同，长桩模量远大于土体模量，于是发生桩顶刺入现象，此时褥垫层发生变形，进入调整阶段，则桩与桩间土成为整体共同承担上部荷载，但桩与桩间土体也开始产生差异沉降，于是桩与桩间土体之间产生力的作用。

随着路堤填土高度的增加，进入第二发展阶段，上部荷载增大到某一值后桩体承担荷载和桩间土体承担荷载开始出现明显差距，于是桩顶刺入现象更加明显，进而引起桩顶部产生应力集中现象，此时桩土应力比明显增加，且长桩桩土应力比大于短桩桩土应力比。

随着荷载进一步加大，开始进入第三阶段，在这一阶段桩体开始相对于桩间土向下滑移，桩与土体之间产生桩侧摩阻力，桩体应力此时也呈现向下逐渐减小的变化规律，荷载最终通过长桩传递至桩端下部土体，此时会产生桩端反力，因此工作Ⅲ区建议为较坚硬的持力层土体。

3 长短桩复合地基受力特性的敏感性

利用灰色关联分析方法针对褥垫层厚度、填土高度和土工格栅层数这三个因素进行敏感性分析。对拟采用的桩网式CFG长桩+CSC短桩型复合地基，长桩和短桩直径均为0.4 m，CFG桩桩间距2.0 m，其桩长15 m，CSC短桩桩间距为CFG桩桩间距的一半，其桩长为8 m，整个地基宽度为36 m，且CFG长桩和CSC短桩均采用正方形布置；长桩为两侧坡脚之间范围，短桩为两侧坡脚外3.0 m之间范围。进行有限元分析时，对于地基土体和路堤填土侧面约束x、y方向水平位移即可。根据银西铁路甘宁段路基地质资料可以认为模型的地下水位线可设置在桩顶平面下方20 m处。计算模型y方向以及模型底部边界假定为不透水边界；对于x方向，由于计算模型宽度为地基宽度的2.5倍，因此也假定其为不透水条件。

将复合地基桩土应力比作为行为特征，取表1中组别1、2、3、4计算结果作为模拟数据案例，其中第一层土工格栅设置距离桩顶平面200 mm，第二层土工格栅设置距桩顶平面600 mm。