軟土地區(qū)膠結樁復合地基技術標準

摘 要：預應力混凝土薄壁（PTC）管樁復合地基作為常見的基礎型式在軟土地區(qū)具有良好的實用價值和應用前景。在實際工程中，復合地基下臥層附加應力的確定一直是重點和難點，因此對PTC管樁復合地基應力擴散效應的研究具有十分重要的意義。針對天津軟土地區(qū)進行了3組不同墊層厚度的復合地基現(xiàn)場靜載試驗，基于現(xiàn)場試驗建立并驗證了數(shù)值模擬方法，對比研究了該型式復合地基的承載特性；通過已建立的數(shù)值模擬方法研究了不同工況下PTC管樁復合地基的應力擴散現(xiàn)象，結合復合地基應力擴散理論確定了擴散角的取值范圍，分析了土質、加固深度和外荷載對擴散角的影響規(guī)律。計算結果可為工程設計提供依據(jù)。

關 鍵 詞：PTC管樁復合地基；現(xiàn)場試驗；應力擴散；承載機制

1 引 言

目前，復合地基在我國土木工程中已經(jīng)得到廣泛應用。作為基礎工程學的重要內容，復合地基的發(fā)展與創(chuàng)新促進了基礎工程學的發(fā)展，PTC管樁復合地基是其重要的組成部分。然而在實際工程中根據(jù)已有的計算方法得到的沉降值與實測值相差較大，且由于PTC管樁復合地基中設置的加固體不同，其承載機制與其他復合地基也不完全相同。

隨著基礎工程的不斷發(fā)展，學者們針對剛性復合地基的工作性狀進行了不同程度的研究，且取得了許多有價值的成果：楊濤[1]基于加固前后下臥層附加應力的有限元模擬和模型試驗成果，提出了下臥層壓縮量的計算方法；吳慧明等[2]通過水泥攪拌樁復合地基模型試驗，研究了樁體荷載集中系數(shù)、樁土應力、地基破壞機制；徐洋等[3]運用彈性地基梁理論推導了復合地基附加應力擴散系數(shù)的簡化公式；劉麗萍等[4]利用半解析數(shù)值計算原理研究了復合地基的加固效果及沉降影響因素；易耀林等[5]通過三維有限差分方法分析了釘形攪拌樁復合地基參數(shù)對附加應力擴散的影響，提出了下臥層附加應力的計算模型；鄭俊杰等[6]通過數(shù)值模擬方法對復合地基附加應力的擴散模式進行了研究，并給出了應力擴散角的取值建議；亓樂等[7]通過多組復合地基室內模型試驗，研究了加固體和下臥層的荷載傳遞規(guī)律；張敏靜等[8]根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，對地基沉降計算系數(shù)進行了修正。以上研究成果對復合地基的發(fā)展具有良好的參考價值，但由于PTC管樁復合地基的加固體不同，其承載機制和應力擴散現(xiàn)象等問題并沒有明確的結論。

本文基于天津濱海新區(qū)3組PTC管樁復合地基靜載試驗，研究了該復合地基的承載特性，建立并驗證了數(shù)值模擬方法，運用該方法確定了不同地質條件下復合地基下臥層附加應力擴散角取值，進一步分析了土體參數(shù)、加固深度、外荷載等因素對擴散效應的影響，對實際工程有一定的指導意義。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗方案

試驗方案共3組，每組包括兩次平行試驗，如表1所示。各方案中樁長均為18 m，鋼筋混凝土預應力管樁外徑均為400 mm，壁厚均為50 mm。

表1 試驗方案

試驗剖面布置如圖1所示，管樁頂端與正方形樁帽連接，樁帽底面以下10 cm為粗砂墊層，頂面上為30 cm碎石墊層，墊層上表面放置剛性荷載板，無墊層試驗中，荷載板直接放置在樁帽上，荷載板尺寸均為3.0 m×3.0 m。

2.2 試驗場地地質條件

試驗場地位于天津濱海新區(qū)西外環(huán)高速公路旁，該區(qū)域軟土層較厚，其地層結構及物理力學參數(shù)如表2所示。

2.3 試驗設備及加載條件

試驗采用慢速維持荷載法，油壓千斤頂加荷，壓重平臺提供反力，每級加載30 kPa，第1級取分級荷載的2倍；沉降變形均由對稱放置在荷載板上邊面的兩個百分表量測。當荷載板在某級荷載作用下沉降量超過前一級荷載作用下沉降量的5倍時，或在某級荷載作用下樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達到相對穩(wěn)定標準，停止加載，極限荷載根據(jù)沉降隨荷載變化特征確定。

圖1 試驗布置圖

表2 土層參數(shù)表

2.4 試驗結果分析

PTC管樁復合地基荷載板p-s實測曲線如圖2所示。

由圖2可知，同一墊層厚度復合地基荷載板p-s曲線較為接近，試驗結果較為可靠。6條曲線均存在明顯的直線段和曲線段，拐點較為明顯，可作為判斷其極限承載力的標準。與單樁靜載試驗破壞較為明顯的陡降段相比，PTC管樁復合地基靜載試驗的p-s曲線變化較緩，說明荷載是樁土共同承擔的，地基具有較好的完整性，隨著荷載加大，復合地基發(fā)生整體破壞。PTC管樁復合地基承載力及對應沉降量如表3所示。

由表3可知，無墊層復合地基平均承載力為257 kPa；30 cm墊層復合地基平均承載力為263 kPa；60 cm墊層復合地基平均承載力為255 kPa。

(a) A組試驗

(b) B組試驗

(c) C組試驗

圖2 現(xiàn)場實測荷載-位移曲線

表3 極限承載力及其沉降

3 數(shù)值模擬

3.1 現(xiàn)場試驗的數(shù)值模擬

為進一步對復合地基中應力擴散問題進行研究，以現(xiàn)場試驗結果為校核標準，運用通用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模擬模型并進行數(shù)值模擬分析。

為減小邊界效應影響，模擬土體選取為半徑為8 m，高度為54 m的圓柱體，管樁、樁帽及荷載板均按現(xiàn)場試驗尺寸選取，模型中將正方形荷載板及樁帽簡化成等面積圓形以利于網(wǎng)格劃分，數(shù)值模型見圖3。

圖3 數(shù)值模型圖

該數(shù)值模擬模型的難點在于碎石墊層本構模型和參數(shù)的選取。結合學者們的成果和現(xiàn)場試驗[10－13]，確定選用Mohr-Coulomb本構進行模擬，取其彈性模量為100 MPa，泊松比為0.22。樁土之間的接觸為切向摩擦接觸，法向硬接觸、摩擦系數(shù)選取為0.4。其余土體物理力學參數(shù)見表2；PTC管樁取混凝土參數(shù)，樁帽和荷載板板采用鋼材的材料屬性，見表4。

表4 數(shù)值模擬模型材料參數(shù)

模型建立完成后，按照現(xiàn)場試驗步驟在荷載板上施加相應荷載，提取荷載板荷載-位移曲線，并與實測值比較，如圖4所示。

由圖4可知，試驗3實測極限荷載值為256 kPa，對應沉降為12 mm，模擬極限荷載值為260 kPa，對應沉降為33 mm；試驗5實測極限荷載值為251 kPa，對應沉降為12 mm，模擬極限荷載值為255 kPa，對應沉降為23 mm。數(shù)值模擬得到極限荷載與實測值較為接近，與實測曲線能夠較好吻合，說明該方法能夠較好地模擬試驗。與實測值相比，模擬值極限荷載對應沉降較大，分析其原因：一是由于現(xiàn)場試驗未等到沉降完成便進行下一級加載，二是模擬時墊層沉降較大。

圖4 復合地基荷載-位移曲線

3.2 應力擴散角及其確定方法

復合地基下臥層的沉降多采用分層總和法進行計算，而附加應力的確定是設計中的難點。目前，主要運用應力擴散法和等效實體法確定附加應力，而應力擴散法中擴散角的合理選用是重中之重。將三維問題簡化為二維平面問題，如圖5所示。

圖5 應力擴散法示意圖

如圖5所示，若復合地基上作用荷載為P，作用長度為B，下臥層距基礎表面深度為h，復合地基加固區(qū)壓力擴散角為，根據(jù)受力平衡原理，作用在下臥層上的荷載可用下式計算：

利用數(shù)值模擬方法可得到，則應力擴散角可按下式計算得到：

3.3 數(shù)值模型及研究方案

影響擴散角的因素較多，如土質、墊層厚度H、加固深度h、相對剛度即樁間距d等。為了系統(tǒng)地確定應力擴散角的取值，并找到影響擴散角的特征參數(shù)，建立擴散角的相關計算關系，本文采用單一變量法設計了研究方案，研究方案見表5。

表5 試驗方案

通過數(shù)值模擬方法完成該研究方案，運用3.1節(jié)中驗證的建模方法建立單排復合樁基計算模型，每排均為12根PTC管樁。具體模型見圖6。

圖6 數(shù)值模型圖

為消除邊界效應，選取長度為160 m，深度為54 m，厚度為1倍樁間距的單一土層長方體土體進行計算。樁帽和管樁均為線彈性理想本構模型，樁帽為鋼材材質，管樁為混凝土材質，物理力學參數(shù)見表2。土體采用Mohr-Coulomb模型，密度均為2 000 kg/m3，為研究不同土體的擴散角，選取不同土質進行計算，土體參數(shù)見表6。模型建立完成后，在荷載板頂面施加均布壓強荷載。

3.4 應力擴散角取值

計算完成后，分別提取荷載為0、50、100、150及200 kPa時下臥層土體應力。不同時刻應力與荷載為0時刻的差值，即為下臥層的附加應力。將該數(shù)值代入式（2），即可得到應力擴散角。

表6 土體參數(shù)表

不同土體內摩擦角、外荷載P及加固深度h下復合地基應力擴散角取值見表7。

表7 應力擴散角取值

由表7可知，PTC管樁復合地基的應力擴散角取值范圍為8.1°～26.9°，該取值與《建筑地基基礎設計規(guī)范GB50007－2011》[14]和《建筑樁基技術規(guī)范JGJ 94－2008》[15]中的規(guī)定相比較大。規(guī)范[14－15]中規(guī)定了條形基礎、方形基礎和群樁基礎的壓力擴散角，由于該類型基礎剛度較大，地基土體的附加應力較大，而復合地基由樁土共同承擔外荷載，且部分算例中存在墊層，總體變形較大，傳遞給下臥層的附加應力較小，故而擴散角較大。不同條件下應力擴散角有較大的變化，需進一步研究其影響規(guī)律及敏感參數(shù)。

4 應力擴散效應影響因素研究

4.1 土質對擴散角的影響

選取不同土質中的應力擴散角進行對比分析，研究土質對擴散角的影響。分析表明在相同荷載作用下，同一方案在不同土質中的應力擴散規(guī)律較為相似。僅對3種方案在150 kPa外荷載作用下的擴散現(xiàn)象進行舉例分析。應力擴散角隨土體內摩擦角的變化如圖7所示。由圖可知，不同樁長的PTC管樁復合地基在同一外荷載作用下，擴散角取值規(guī)律較為相似。隨著土體內摩擦角的增大，土體抗剪強度增大，上部荷載傳遞到周邊土體的荷載增大，傳遞到下臥層土體的平均附加應力減小，從而擴散角增大，即擴散角隨著土體內摩擦角的增大而具有變大的趨勢。

圖7 不同土體擴散角變化圖

4.2 樁長對擴散角的影響

選取不同樁長復合地基在同一外荷載作用下的應力擴散角進行對比分析，研究樁長對擴散角的影響。研究表明，不同方案在不同土體中的應力擴散規(guī)律較為相似，僅取150 kPa外荷載作用下的擴散現(xiàn)象進行舉例分析。擴散角隨樁長的變化如圖8所示。

圖8 不同加固深度擴散角變化圖

由圖8可知，在150 kPa外荷載作用下，擴散角取值規(guī)律較為明顯，隨著樁長的增大，復合地基附加應力擴散角增大。管樁復合地基中樁長的增加，使得加固區(qū)域能夠承擔較大荷載，從而傳遞給下臥層頂面的平均附加應力變小，進而擴散角增大。

4.3 外荷載對擴散角的影響

在其他條件均一致的條件下，對不同外荷載作用下的復合地基進行擴散角比較分析，研究外荷載對擴散角的影響。取加固深度為12 m的復合地基進行舉例分析。擴散角隨外荷載的變化如圖9所示。由圖可知，加固深度為12 m的復合地基，外荷載對其擴散角的影響規(guī)律較為一致：隨著外荷載的增大，擴散角取值減小。荷載較小時，加固體和周圍土體能夠較好地承擔外荷載，故傳遞到下臥層的附加應力較小，造成擴散角較大；當外荷載增大后，超過加固體和周圍土體能夠承擔的最大荷載，較大的平均附加應力傳遞至下臥層，擴散角較小。

圖9 不同外荷載作用下擴散角變化圖

5 結 論

基于天津軟土地基3組現(xiàn)場試驗，建立了有效的數(shù)值模擬方法，研究了PTC管樁復合地基承載特性，確定了不同地質條件下的附加應力擴散角。主要結論如下：

（1）PTC管樁復合地基整體性較好，樁土共同承擔外荷載，設置墊層對提高承載力效果明顯，但墊層厚度不宜過大。

（2）建立并通過現(xiàn)場試驗校準數(shù)值模擬方法，得到了能夠較為準確地模擬PTC管樁復合地基承載特性的數(shù)值模擬方法，確定了不同地質條件下復合地基應力擴散角的取值范圍為8.1°～26.9°。

（3）隨著內摩擦角的增大，擴散角增大，樁長的增加，引起復合地基附加應力擴散角增大，擴散角取值隨著外荷載的增大而減小。

End