褥墊層對CFG 樁復合地基加固作用的分析研究

郭海慶 楊 毅 王振宇

（1.河海大學土木院巖土工程科學研究所，南京 210098；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098）

CFG 樁復合地基因為具有適應性廣、質量可靠、施工簡單易行、施工工期短等優點，所以被越來越多地應用到地基處理或不良地基改善的工程實踐中.CFG 樁復合地基，如圖1所示，主要是由褥墊層、樁間土和樁共同構成.CFG 復合地基是20世紀80年代末的一項新技術，近年來在高速公路軟基處理中逐漸推廣使用，研究和實踐表明，在復合地基中設置褥墊層可較好地發揮樁和土的承載力，達到降低工程造價的目的［1－3］.本文通過一系列的理論，分析褥墊層的作用機理并運用FLAC－3D 對復合地基進行模擬，并從其中得出的數據來分析驗證褥墊層在地基加固中的重要作用.

圖1 CFG 樁復合地基結構體系示意圖

1 褥墊層技術理論與最小厚度研究

復合地基在外部荷載的作用下，通過褥墊層的調整均化作用，其各部分之間相互協調、共同工作.褥墊層設計的合理不僅可以減少地基處理成本、保護環境，更重要的是可以充分發揮復合地基承載力以增大復合地基安全系數［4］.本文將對褥墊層厚度進行重點研究，然后在做出一些假定的前提下對樁與樁間土以及褥墊層的最小厚度等重要計算公式進行理論推導.

從上述褥墊層作用機理分析可知［5－6］，褥墊層會受到來自基礎上部荷載的壓力，由于樁體和土體的壓縮模量相差較大，導致樁頂比樁間土承擔更多荷載，樁頂應力增大，隨著時間不斷增加，首先會在樁頂上部褥墊層區域出現相應的塑性區，如圖2所示，樁體會在塑性區的作用下慢慢刺入褥墊層中，褥墊層內土體受到樁體入侵破壞會不斷流失重組，不斷充滿空隙以調整樁與樁間土上的荷載分擔比例，如果褥墊層的模量較小，即褥墊層相對較“軟”，樁體的刺入量太大，樁間土的沉降量不能適應樁體的刺入量，這導致樁體與樁間土不能很好地協同工作，荷載分擔比例的調整效果不明顯，樁間土的承載力沒有充分發揮；如果褥墊層的模量太大，即褥墊層相對較“硬”，那么樁體很難刺入其中，這樣樁、土之間的荷載分擔比例也不均衡，地基承載力也沒有效提高.因此，樁體刺入量的多少或褥墊層的模量就是褥墊層設計的重要條件之一.

圖2 樁頂塑性區形成示意圖

假設褥墊層及樁間土符合土體變形的運動學假設和流動法則，結合土的塑性上限理論和極限平衡分析理論對土體進行分析.當褥墊層的厚度H 大于破壞面深度Hr時，當樁體向上刺入褥墊層時，在樁頂會形成一個三角形狀的壓實體，在壓實體的四周會形成相應的滑動破裂面，此時可按平面問題來進行分析研究，對該三角形壓實體進行受力分析，由水平方向受力平衡和豎直方向的受力平衡及太沙基理論中平面問題的求解，可得最佳的樁間距：

式中，ψ 為墊層中內摩擦角標準值；d 為樁體直徑.

樁間土應力為

式中，m 為設計置換率；n為樁土應力比.

當褥墊層的厚度H 小于破壞面深度Hr時，樁體會刺入褥墊層中，則褥墊層發生滑動破壞，其承載力要進行修正，最佳樁間距為：

此種情況時可認為m′≈m，所以有：

為了更好研究褥墊層的作用，文中將褥墊層下的復合地基簡化為圖3所示的模型，模型中樁體及其上部褥墊層簡化成直徑為d 的圓柱體.

圖3 褥墊層計算簡化模型

由于樁、土的模量差異，樁間土與樁體之間存在沉降差，因此樁間土對這部分隔離體會產生向下作用的摩擦力［7］.與樁頂距離較大，土與隔離體之間的沉降變形差會逐漸減小，當褥墊層高度逐漸增加，達到下限臨界值h時，樁體頂部與空隙間的褥墊層及樁間土累加的沉降量大致相等時，樁、土之間不存在摩擦力，并形成了均勻沉降平面.

對隔離體進行受力分析，在褥墊層表面，隔離體與周圍土體的沉降變形差很小，因此隔離體幾乎不受摩擦力的作用，但是在褥墊層底面，隔離體與周圍土體的沉降變形差最大，因此受到的摩擦力最大.由分析可知隔離體在被動的狀態下保持平衡，因此可以用土體被動極限平衡理論進行分析.本文假設剪應力的分布是線性的，由于隔離體頂面無相對滑動，因此頂面處剪應力為0，而底面處剪應力最大，最大剪應力為

建立隔離體平衡方程

再根據平衡條件有：

解方程（7）得：

將式（8）代入式（6）可得：

上式即為褥墊層最小厚度公式，可以對以后的工程實踐起到借鑒作用.

2 CFG 樁復合地基在豎向荷載下的數值模擬

本文是依托廣梧高速公路十八合同段地基處理工程來研究的.廣梧高速公路十八合同段位于河口至平臺之間，屬于典型的山丘路段，沿線地形地貌十分復雜，有高填高挖路段、半填半挖路段、穿山澗路段和依山路段等，路堤填筑高度因地形地貌的復雜，變化也很大，最低處只有2m 多，最高處10m 多.由于地質條件較差，周圍環境復雜，廣梧高速公路十八合同段使用了大量的CFG 樁復合地基.為了便于計算，文章分析選取廣梧高速公路十八合同段的一部分，即k131＋010處地質資料來進行數值模擬，分析褥墊層參數對樁復合地基加固效果的影響.

采用FLAC－3D有限差分程序對CFG 樁復合地基進行數值模擬.取水平方向為x 軸，豎直方向為y軸，本文選擇從荷載板邊緣沿x 軸向外延伸0.5倍荷載板寬，從樁頂向y 軸延伸兩倍樁長為計算區域，取復合地基頂面為自由面，在底面施加豎向約束，水平可動，在側面施加水平約束，豎直可動.樁體采用彈性各向同性模型，地基土與褥墊層均采用莫爾庫倫彈塑性模型，樁、土、褥墊層之間均設置接觸面.

數值模擬中各材料的物理參數均來自廣梧高速公路十八合同段k131＋010處，詳見表1.

表1 CFG 樁復合地基計算參數

）

2.1 褥墊層厚度的影響

本次模擬參數為：樁長L＝7.5m，樁徑D＝0.5 m.樁數選取3×3，樁間距L0＝1.5m，根據計算區域對稱性選取1／4區域進行模擬.模擬復合地基總面積為3.0m×3.0m，水平方向計算區域6.0m×6.0m.墊層厚度設置4個等級，分別取h＝100mm，200mm，300mm，400mm.荷載設置6個等級，分別為P＝50 kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa.

圖4 FLAC－3D模型網格劃分

對復合地基在不同厚度的墊層以及不同豎向荷載情況下的沉降進行數值模擬，并分析其曲線.

由圖5中不同墊層厚度的沉降關系曲線得出，當墊層厚度相同時，復合地基沉降量會隨著荷載的增加而增大，但荷載增大到一定程度時，基礎沉降速率會逐漸減小，逐漸達到平衡.當荷載相同時，褥墊層越厚，復合地基沉降量越大，此規律正與文獻［8－9］中的實測值相符.本文分析認為當荷載不斷增大，樁頂上的褥墊層中會首先出現塑性區，這樣會導致地基沉降增加；當褥墊層模量相同時，褥墊層越厚，樁體入侵程度越大，直至達到平衡狀態，因此褥墊層厚度會影響樁的侵入程度，同樣也會影響地基沉降量.

圖5 墊層厚度與沉降的關系

圖6表明，其他條件不變時，墊層厚度增大，樁土應力比會逐漸減小，樁體承擔的荷載會部分轉移到土體中，樁間土承擔的荷載逐漸增大.隨著褥墊層厚度增加，樁土應力比關系曲線逐漸變緩.文獻［10］中所得規律與本文分析基本一致.

圖6 墊層厚度與樁土應力比的關系

由圖6分析可知，褥墊層的厚度可以調整樁土應力分擔比例.當褥墊層厚度較大時，樁土應力比會接近最小值，此時樁體會較大地向上入侵到褥墊層中，導致樁間土會承擔更多的荷載，并逐漸被壓縮密實，所以樁體承擔的荷載會減小，這樣樁頂應力也會相應減少.反之，當褥墊層厚度逐漸減小，樁體的入侵量也相應減小，樁間土所承擔荷載也相應減小，樁體承擔荷載則會增加，這樣導致樁頂應力增大，相應在樁頂可能會產生應力集中現象，對樁體加固效果有不利影響.因此，在復合地基設計時，應特別注意褥墊層厚度不夠引起此方面的問題.

2.2 褥墊層模量的影響

本次計算參數和計算區域與前面相同，墊層厚度取h＝200mm，褥墊層模量分4個等級Esc＝30MPa，50MPa，70MPa，90MPa.

由圖7可知，當褥墊層模量恒定時，豎向荷載越大復合地基沉降量越大，當荷載不大的時候呈現線性變化，但是在繼續加載到較大的情況時開始呈現出非線性的變化.當荷載相同時，褥墊層模量越大復合地基沉降量越小，這與文獻［11］及文獻［1］中所得結論相同.褥墊層模量處于30MPa，50MPa，70MPa范圍內時，基礎沉降量的減小程度比較明顯；但是當褥墊層模量處于70MPa，90MPa范圍內時，基礎沉降量減小趨勢明顯降低，當褥墊層模量繼續增大，基礎沉降量會越來越少并趨于一個平衡值，這是因為褥墊層模量較大，導致褥墊層過“硬”，樁體不能較好地刺入褥墊層中，不能在褥墊層中形成塑性區，因此褥墊層的沉降量也會明顯減少.

圖7 墊層模量與沉降的關系

由圖8可知，褥墊層模量與樁土應力比約成線性比例關系，隨著褥墊層模量增大，樁土應力比的變化速率減少，因此褥墊層的模量不宜過大，過高的褥墊層模量并不能很好地改變樁土應力比的分擔情況，但褥墊層模量的改變仍然會影響樁土應力比，設計時也可以將之當作調節樁土應力比的一種方法.此分析結論與文獻［11］中相同.由此可得，褥墊層模量可以在一定范圍內對樁土應力比有調節作用，但是如果褥墊層模量設計得過高，樁土應力比改變并不明顯，反而容易增加投資，設計時應多加注意.

圖8 墊層模量與應力比的關系

3 結 論

通過對CFG 復合地基中褥墊層厚度的理論分析及運用FLAC－3D 對不同褥墊層參數下CFG 樁復合地基的數值模擬得出以下結論：

2）合理設計褥墊層的參數可以有效調節樁土荷載分擔比例，減少樁頂的應力集中現象，從而可以保證樁土共同承擔荷載，降低地基處理的成本，很好地起到加固地基的作用.

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