高置换率碎石桩复合地基的桩土共同工作分析

摘要：以某大直径振冲碎石桩地基处理工程为例，通过现场静载荷试验和数值分析两种方法，对碎石桩复合地基的桩土共同作用机理以及桩土应力比、桩土荷载分担比等随置换率的变化规律进行了研究。结果表明：当置换率m≤7%时，复合地基的桩土应力比在1.5～4.0之间变化，与《建筑地基处理技术规范》JGJ792012中的建议值基本一致，桩土应力比、桩的荷载分担比及复合地基承载力均会随置换率的增大而提高；高置换率条件下，复合地基的桩土应力比可达到10左右，桩的荷载分担比会超过70%。研究所得结论，对碎石桩复合地基的优化设计具有重要指导意义。

关键词：碎石桩复合地基；桩土应力比；置换率；共同工作；数值分析

碎石桩因其具有良好的振密、挤密及排水效果等特点，在处理沿海港口工程软弱及可液化地基中有着十分广泛的应用［14］。工程设计中，合理确定碎石桩复合地基的桩土应力比至关重要。《建筑地基处理技术规范》（以下简称《规范》）JGJ792012规定：对振冲碎石桩、沉管砂石桩复合地基，当无实测资料时，桩土应力比对于黏性土可取2.0～4.0，对于砂土、粉土可取1.5～3.0。实践表明，这一规定对低置换率碎石桩复合地基应是合理的；当置换率较大时，此类复合地基的桩土应力比可能会远大于规范的建议值。本文依托某大直径碎石桩地基处理工程，采用现场测试与数值模拟两种手段相结合，研究碎石桩复合地基的桩—土共同作用机理及桩土应力比、荷载分担比等随置换率的变化规律，以期为碎石桩复合地基设计理论的进一步完善和工程应用提供参考。

1工程条件与现场测试

1.1地质条件

由地质勘察资料可知，试验场地为填海造地而成，以砂类土为主，土质松散，承载能力差，可液化土层厚度为12.5m。场地上覆土层可简化为三层，除地表层为回填细砂外，其余两层主要由第四系全新统滨海相沉积砂土构成，下卧中等风化的砂岩，各层土物理力学性质指标如表1所示。地下水位平均埋深1.82m。

1.2现场测试

采用大直径高置换率振冲碎石桩对地基进行处理，以消除场地土的液化。采用正方形布桩，桩间距为2m，桩径1.1m，桩长为12.5m，置换率为23.7%。为揭示复合地基实际工作性状，本次试验共进行了3组单桩复合地基静载荷试验，并预埋土压力盒。采用特征点法测试桩顶、桩间土应力及桩土应力比，铺设300mm厚碎石垫层（与设计同）。土压力盒埋设于垫层顶部，自桩边缘到承压板边缘依次埋设，见图1。将测试数据进行整理，得到具有代表性的复合地基PS曲线与平均桩土应力比，如图2、图3所示。

2数值分析模型

为揭示碎石桩复合地基的桩—土共同工作机理，采用FLAC3D软件，建立了碎石桩复合地基三维数值分析模型，采用三维圆柱体网格和圆柱体外环绕放射网格［4］对复合地基进行离散，如图4所示。模型中褥垫层厚度为0.30m，含9根碎石桩，桩长12.5m，桩径为1100mm。

模型边界设置：桩端砂岩为刚性持力层；桩土之间设有接触面，模拟桩土之间的摩阻力、端阻力和相对滑移；考虑加载过程应力与变形影响范围，模型的三维尺寸选取为18m×18m×25m，根据对称性，选取模型的1/4进行计算；模型底面和四个侧面均限制其法向位移，模型顶面为自由面。

加载方式：采用分步加载，每级荷载增量为50kPa，最大一级荷载为800kPa。垫层、碎石桩和土层均服从摩尔库伦本构模型，模型参数见表2和表3。

3试验及数值结果分析

3.1桩土应力比n

图5给出了实测和数值计算得到的桩土应力比随荷载变化的曲线，两者基本吻合。由图5可知，碎石桩复合地基的桩土应力比n并非常数，而是随着荷载的增加不断发生变化，其变化范围在8.5～11.5之间，平均值为10左右，远大于《规范》JGJ792012中建议的1.5～3.0的经验值。随着荷载的增加，n值整体上呈现先增后降的趋势。在加载的初期，荷载小于100kPa时，n值增长最快，说明桩周软土很快进入塑性变形阶段，应力逐渐向碎石桩桩顶集中，直至桩间土不能提供足够的围压，导致桩体发生过大的侧向变形，从而产生桩体的鼓胀破坏，桩土应力比达到最大值，进而引起复合地基全面破坏，桩土应力比随之下降。

3.2桩土荷载分担比

桩土荷载分担比反映了不同荷载等级条件下，碎石桩与桩间土所承担荷载的彼此消长情况。经对现场复合地基荷载试验与数值模拟结果的整理发现，碎石桩与桩间土荷载分担曲线几乎是平行的，图6给出了桩土荷载分担比随荷载的变化规律。由图6可知，在整个受荷过程中碎石桩始终分担了70%以上的荷载。

3.3置换率m对桩土应力的影响

为考虑置换率对碎石桩复合地基桩土应力的影响，本文模拟了在布桩方式与桩间距不变情况下，桩土应力比和碎石桩荷载分担比随置换率的变化情况。图7和图8分别给出了在不同置换率条件下，桩土应力比和碎石桩荷载分担比随荷载的变化曲线。图9给出了不同置换率下的荷载沉降PS关系曲线。由图7～图9可总结出如下规律：

（1）不同置换率下的桩土应力比变化规律基本一致。在加载初期桩土应力比n急剧增大，当复合地基承载力达到比例界限值时，桩土应力比n达到峰值，然后，随荷载的增大而逐渐减小，最终趋于一个稳定值。

（2）相同荷载水平条件下，桩土应力比和桩的荷载分担比随置换率的增大而增大。当置换率m≤7%时，碎石桩复合地基的桩土应力比在1.5～4.0之间变化，这与《规范》JGJ792012中的建议值基本一致。在本文所设条件下，当置换率m≥12.6%时，复合地基的桩土应力比n≥4；当置换率m≥20%时，复合地基的桩土应力比n＞8，且碎石桩的荷载分担比会超过70%。

（3）当置换率较小时，碎石桩除加速固结作用外，主要是通过振密、挤密桩间土来提高地基承载力。当置换率较大（m≥20%）时，碎石桩复合地基承载力的提高则以置换作用为主。

（4）碎石桩复合地基的承载力随置换率的增大而逐渐增高。

4结论

采用现场静载荷试验，并结合数值分析方法，揭示了碎石桩复合地基的桩—土共同作用机理及桩土应力比、荷载分担比等随复合地基面积置换率的变化规律：

（1）碎石桩复合地基的桩土应力比n并非常数，相同荷载水平条件下，桩土应力比和碎石桩的荷载分担比随置换率的增大而增大。当置换率m≤7%时，碎石桩复合地基的桩土应力比在1.5～4之间变化，可按《规范》JGJ792012中的建议值选取。当置换率较大时，如仍按现行规范选取n值则会产生很大的误差。

（2）碎石桩复合地基的承载力随置换率的增大而逐渐增高。当置换率较小时，碎石桩除加速固结作用外，主要是通过振密、挤密桩间土来提高地基承载力。当置换率较大（m≥20%）时，碎石桩复合地基承载力的提高则以置换作用为主，碎石桩的荷载分担比将超过70%。

（3）影响碎石桩复合地基桩土应力比、荷载分担比的因素除置换率外，还有地基土质条件、碎石桩施工工法、褥垫层厚度及荷载水平等。在工程有必要及条件允许的情况下，还是应进行现场荷载试验，以保证地基处理方案的优化。

参考文献：

［1］殷睿.沿海地区碎石桩施工技术研究［J］.工程技术研究，2020，5（10）：6768.

［2］李东锋.振动沉管挤密碎石桩加固软土地基技术研究［J］.工程技术研究，2019，4（01）：120121.

［3］潘永庆，孙立强，王吉超，等.碎石桩加固液化粉土地基的数值模拟分析［J］.地震工程学报，2014，36（03）：540543+554.

［4］王士杰，何满潮，朱常志，等.GC与CFG桩组合桩型复合地基承载特性研究［J］.岩土力学，2008，29（10）：26322636.

作者简介：李阳阳（1991—），男，汉族，河北邯郸人，硕士研究生，工程师，主要从事水利水电工程施工。