长板-短桩法处理吹填土地基的沉降特性研究*

董必昌 田智睿 张鹏飞 张明轩

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (中国市政工程中南设计研究总院有限公司2) 武汉 430010)

0 引 言

我国沿海地区特有的地形构造和地质特征，近海地区蕴含着大量的海底泥沙，因此频繁的使用吹填造陆等工程手段实现向海洋摄取土地资源就成了沿海地区的一种常见现象.综合考虑经济与时间成本的问题，对于大面积的围海造陆工程而言，吹填型填海造陆已成为了应用最为广泛且效果较好的方法之一.

目前，学者针对采用吹填工艺形成的地基已经做了许多调查研究，刘莹等[1]从不同地区吹填土的矿物组成、物理化学成分、结构强度、加固特性等方面进行了对比研究.朱熹文[2]分析了淤泥质饱和土渗透系数，总结了涵盖高含水率情况的淤泥质饱和土渗透系数的经验公式.Chen等[3]采用有限元法对吹填土固结、弹塑性、蠕变等特性的相互效应进行了分析.从这些研究成果可以看出，大部分研究重点侧重于吹填土自身的物理力学特性或吹填土真空联合堆载预压加固特性的研究，而针对吹填土表层地基经真空预压后再用粉喷桩复合地基联合塑料排水板进行堆载预压的加固沉降特性研究较少.然而，近年来在实际工程中，由于经济效益和时间效益较好，此种针对吹填土地基的桩-板加固方法已得到了广泛应用[4].针对这种理论研究远远落后于工程实践的现状，非常有必要针对桩-板加固的吹填土复合地基沉降特性进行研究.

本文依托温州市域铁路S1号线灵昆维修基站地基加固工程，通过现场试验、理论分析，以及数值仿真等手段，研究典型的沿海围海造陆新区表层吹填土经真空预压加固后，采用搅拌粉喷桩复合地基和塑料排水板联合搅拌粉喷桩复合地基两种处理方式在堆载预压下的沉降特性以及影响因素.

1 工程概况

拟建场区位于滩涂浅海区，是通过吹填造陆形成的新型工业区，该地区广泛分布第四系冲海堆积层，软土地层普遍发育，强度低，厚度大，工程地质条件差，地基土主要为淤泥、淤泥质黏土、黏土和粉土等.其中长板-短桩加固区域宽20.5 m，影响区域宽80 m，总宽度为100.5 m，填料高度1 m，填土高度3.5 m，分二级填筑，填土加载曲线见图1.地基处理断面桩与板平面布置采用正方形，二者成两行交错布置，其中双向搅拌粉喷桩长16 m，桩间距1 m；塑料排水板截面尺寸为100 mm×4 mm，板长30 m，板间距1 m，通水量qw为1.26×103m3/年.

图1 荷载步加载曲线

2 长板-短桩数值模拟

联合处理加固断面为市域铁路维修基站内有咋轨道段，堆载土体呈条形荷载，填土在轨道轴向上延伸很远，可简化为平面应变模型进行二维有限元计算.在进行二维平面有限元计算时，需对模型进行合理的等效和简化[5-7].

2.1 材料模型

地基土和堆载填土假定为理想弹塑性材料，均采用Mohr-Coulomb模型，该模型的计算参数由室内试验得到；搅拌粉喷桩假定为线弹性材料.因室内试验结果表明表层新近吹填淤泥真空预压处理后的参数与2-1层淤泥特性相似，故将该层归为2-1淤泥层计算.具体土层参数见表1，表中参数均取自地质勘察报告.

表1 土层原始参数

2.2 塑料排水板简化

拟建场区处于软土层深厚的吹填新区，打入的搅拌粉喷桩悬浮于深厚软土层之中，若欲将其加固方式等效为平面固结沉降问题进行计算，因吹填淤泥渗透性极差，则粉喷桩底面地层处于不透水状态，可视为单面排水.从宏观意义上看，在土中打入塑料排水板的处理效果在于提高了土体的竖向渗透系数，模拟时可采用等效的竖向渗透系数kve替代原土层竖向渗透系数kv和水平渗透系数kh[8].因此本文基于双层地基固结理论，将塑料排水板固结区域土层渗透系数等效转化，完成将三维问题转换为二维平面问题.采用邓永锋等[9]提出的关于PVD加固地基等效竖向渗透系数的转化公式.

(1)

(2)

式中：l为土层竖向有效排水长度，单向排水时有效排水长度取塑料排水板长度，透水边界双向排水时有效排水长度取塑料排水板长度一半；De为塑料排水板的影响直径，De=2R；n=R/rw为井径比；qw为塑料排水板年均通水量，m3/年.

2.3 搅拌粉喷桩简化

对于正方形布置的搅拌粉喷桩，在土体中桩是呈空间分布的，若直接将其参数运用到二维数值模拟中，则会在平面模型中沿断面方向形成一条条强度很高、渗透性很小的墙体.这样模拟出来的结果会与实际情况有很大差异，所以在模拟过程中需要对桩体参数进行折减.本文采用对桩身强度和渗透系数进行折减的方法解决搅拌粉喷桩的平面转化问题[10].

1) 桩身强度的折减 按照桩间距对桩身强度进行折减，假定换算后等效桩体在竖向上受压均匀，桩、桩间土和等效桩具有相同的竖向压缩应变εz，由应力-应变关系得：

在自由供水阶段，机械化的施工手段和测量仪器广泛用于水利建设和水资源管理，大大提高了水资源的开发能力和水文的监测精度，为精确调控水资源提供了技术支撑。然而，在中国许多农村，水流的测量还主要通过目测或估算进行，已经不能适应人水关系发展对机械化生产力的要求。

σpz=Epεz

(3)

σsz=Esεz

(4)

(5)

由力的平衡条件σpz，σsz，σcz有，

(6)

式中：d为桩间距；D为桩径.

联立式(3)～式(6)可得：

(7)

桩身强度折减见图2.

图2 桩身强度折减图示

2) 桩体渗透系数的折减 取等效桩顶面以下z深度处一微元体进行分析，在一维渗流固结中微元体水量变化为

(8)

对等效桩微元土体

(9)

式中：ksz为土体竖向渗透系数.

由于桩体的渗透系数为土体的0.1%～0.01%，桩体的透水量可以忽略，此时等效qc=qs，hc=hs，由此等效桩体渗透系数为

(10)

2.4 计算模型

对于平面应变问题，考虑到所取断面为对称的，因此取地基横断面的一半进行模拟分析.建立图3的有限元模型图.加固区宽10.25 m，影响区域宽40 m，总宽度为50.25 m；地基土总体划分为4层，总深度取70 m；堆载填土及路面填料划分为3层，高度为4.5 m，加载计划与图1荷载步加载曲线对应.地表以下0～16 m范围内布置了水泥搅拌粉喷桩，桩体采用等效桩弹性模量和等效桩渗透系数，等效桩体参数见表2；0～30 m是塑料排水板处理范围，该范围内土层竖向渗透系数采用等效土体渗透系数，等效土体参数见表3.

图3 计算模型及网格划分

表2 双向搅拌粉喷桩参数

表3 土层等效渗透系数

有限元计算类型采用ABAQUS内自带的流固耦合计算单元，固结理论为Terzaghi一维固结理论，计算时长为300 d.

为了更加清楚认识搅拌粉喷桩和塑料排水板在长板-短桩联合处理地基中的作用，本文还进行了不同工况的假定对比计算：工况Ⅱ，仅设置16 m长搅拌粉喷桩；并将上述不同工况计算结果同工况Ⅰ进行比较.

3 数值模拟结果分析

3.1 长板-短桩计算结果分析

沉降是土体变形的重要指标之一，是加固区域土体固结程度、加固效果和地基承载力的重要判别依据[11].经过长板-短桩处理后的吹填土地基总沉降曲线见图4.由图4可知，现场实测曲线与模拟曲线变化趋势基本一致，数值分析模拟出断面沉降最大值位于道路中心处，为336 mm，现场实测地基沉降的最大值也位于道路中心处，为317 mm，两者误差不超过10%.这表明仿真模型各项参数设置的合理性，能够取得较为准确的仿真结果.

图4 断面中心地基沉降对比

图5为吹填土长板-短桩复合地基沉降云图.由图5可知，靠近加固区中心点的沉降达到最大值，随着时间发展到加载结束时最大沉降为336 mm，离堆载预压中心轴线越远，地基沉降减小；在加固区外侧从图中还能看出地表有一定的隆起现象，地表的隆起现象也随着时间发展，最大值达到111 mm.模拟结果中地表隆起数值较大，较大原因是吹填土地基处于流塑状态，土质较差，压缩性高、触变性和流变性高，当加固区域向下沉降时部分土体向侧向移动且实际场地为广袤平原，本模型影响区范围取为加固区范围4倍，与实际情况具有一定差别.从沉降云图中还能看到，在加固区沉降等值线是较为稀疏的，而桩端下部土层等值线突然密集，这说明加固区桩间土体压缩变形不大，与桩体协同沉降变形为主，固结沉降压缩变形主要发生在下卧层的排水板加固区，与实测值深层沉降规律相吻合.

图5 复合地基沉降云图

图6为吹填土长板-短桩复合地基侧向位移云图.由图6可知，最大侧向位移发生在地表下0～10 m处，侧向位移为50 mm.随着深度的增加，各地层沉降减少，引起的侧向位移也降低.侧向位移的模拟结果与实际监测数据变化规律基本一致.

图6 侧向位移云图(堆载300 d)

在长板-短桩吹填土复合地基固结沉降分析中，超孔隙水压力的增长与消散规律也是土体沉降的一个重要指标[12].图7a)为堆载预压土体刚好完成填筑(堆载预压120 d)时的孔隙水压力云图，可以看出在堆载预压过程中长板-短桩吹填土地基内部产生了超孔隙水压力，且最大值达到35.23 kPa，位于双向搅拌粉喷桩下部区域，之后超孔隙水压力随着土体固结沉降的进行开始逐渐消散，有效应力增加，地基承载力逐步提高，符合有效应力原理，见图7.

图7 孔隙水压力云图

图8为施工期加载中和堆载300 d时吹填土复合地基竖向应力云图.由图8可知，在桩体处出现了明显的应力集中效应，桩体部分应力大于同深度土体应力，即相比于单位面积的同层土体，桩身承担了更大的荷载.

图8 复合地基竖向应力云图

3.2 不同工况沉降规律对比

取桩长16 m，桩间距1 m时的长板-短桩复合地基和搅拌粉喷桩复合地基两种工况进行固结沉降对比分析.不同处理方案下地基沉降规律对比见图9～10.

图9 不同工况沉降曲线对比

图10 不同工况沉降云图

由图9可知，搅拌粉喷桩复合地基最大沉降为307 mm，比长板-短桩复合地基减少了30 mm，是新型复合地基的91.1%，两者沉降变化趋势基本相同.由此可知，当在外在条件相同时，长板-短桩复合地基在堆载预压期间的沉降大于搅拌粉喷桩复合地基的沉降，表明在悬浮短桩间插入塑料排水板能够加快施工期间土体的固结沉降，加快地基土体排水固结速率，使地基沉降更快完成，增加施工期沉降，有利于减少工后沉降.由此长板-短桩联合堆载预压法在工后沉降要求严格的高速铁路项目中比起传统的搅拌粉喷桩复合地基法具有明显的优势.

4 结 论

1) 通过对粉喷桩桩身强度和渗透系数进行折减，塑料排水板加固区渗透系数等效转换，将三维问题转化为二维问题，计算结果与实测结果一致，因此该方法具有可行性.

2) 随着堆载预压的进行，长板-短桩复合地基最大沉降产生于断面道路中心处，为336 mm，现场实测地基沉降的最大值也位于道路中心处，为317 mm，两者误差不超过10%.最大侧向位移产生于堆载土体坡脚处底部，最大侧向位移发生在地表下0～10 m处，侧向位移为50 mm.随着深度的增加，各地层沉降减少，引起的侧向位移也降低.

3) 长板-短桩复合地基产生的最大超静孔隙水压力位于搅拌粉喷桩下部区域，最大值达到35.23 kPa，之后超静孔隙水压力随着土体固结沉降的进行逐渐消散，有效应力增加，地基承载力逐步提高.

4) 当其他外在条件相同时，传统搅拌粉喷桩复合本相同，粉喷桩复合地基最大沉降为307 mm，比长板-短桩复合地基减少了30 mm，是新型复合地基的91.1%，其表明在悬浮短桩间插入塑料排水板能够加快施工期间土体的固结沉降，提高地基土体排水固结速率，使地基沉降更快完成，增加施工期沉降，有利于减少工后沉降；长板-短桩联合堆载预压法在工后沉降要求严格的高速铁路项目中比起传统的搅拌粉喷桩复合地基法具有明显的优势.