贵州工业职业技术学院，贵州 贵阳 550008
【摘 要】本文对碎石桩复合地基承载力机理的作了一定的理论分析，同时结合贵州某公路工程实例，对现场试验和有限元作对比分析，对碎石桩复合地基的承载力影响因素进行相关的探讨和研究。
【关键词】碎石桩；复合地基；有限元；承载力；载荷试验
1 前言
复合地基[1]（Composite Foundation）是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋体材料，从而形成的由两种刚度（或者模量）不同的材料（包括基体和增强体）所组成的能共同承担基础荷载的人工地基。而碎石桩是用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石等散体材料挤压入已成的孔中而形成的密室桩体，它适合于饱和软粘土、淤泥（质土）、松散砂土及人工填土等软弱地基的加固处理。碎石桩复合地基是一种开发比较早的地基加固处理技术，它施工方便、工序简单、成桩迅速、经济实用。
随着土木工程建设的迅速发展，碎石桩复合地基处理技术在软弱地基处理中得到广泛的应用，但目前对碎石桩复合地基问题的认识仍处于不断地探讨和研究之中。随着岩土理论、现代计算技术及计算机软硬件的飞速发展，有限元等数值方法克服了以往耗时耗量、操作复杂、精度不足等缺点，已逐渐成为岩土工程领域有效的实用计算方法。
2 碎石桩的承载机理及破坏形式
碎石桩复合地基承载机理的实质是将天然地基转变为碎石桩和桩周土体共同组成的复合地基，以提高地基土的承载力，减少基础的沉降量和沉降差。碎石桩桩体本身是散粒体材料，它之所以能成桩，完全是依靠桩周土体对它的侧向约束作用。因此碎石桩桩体必须与四周土体的变形相协调，桩体除作为地基土的一部分外，还具有支承作用，并且复合地基中的碎石桩是一条很好的排水通道，显然，碎石桩复合地基的作用主要有桩体作用，垫层作用和排水作用。
碎石桩的破坏形式可能有三种：刺入破坏、整体剪切破坏和鼓胀破坏。
当碎石桩桩长很短且桩周土体对它的侧向约束作用和桩底支承土刚度较小时，将可能发生桩端部刺入地基土的情况，表现为刺入破坏。工程实践和理论分析表明，碎石桩存在一临界桩长（约为碎石桩直径的4～6倍），当桩长大于临界桩长时，碎石桩就不会发生刺入破坏，对碎石桩而言，发生刺入破坏的情况很少；对于剪切破坏，只要基底面不太小或桩周土体上有足够大的边载，便不会发生这种形式的破坏，故碎石桩复合地基绝大多数可能发生鼓胀破坏。一方面，桩体材料是无粘性的，桩体本身的强度随深度的增加而增大，当强度增加时，桩体产生塑性鼓胀的可能性将逐渐减小；另一方面，桩周土抵抗桩体鼓胀的阻力也是随深度增加而增大的。因此最容易产生鼓胀破坏的部位是桩体的上端。
3 碎石桩复合地基有限元分析模型
在建立碎石桩复合地基有限元分析模型之前，假定：（1）桩体和土体是均质的各向同性体；（2）应力一致原则：桩土接触面上，桩的法向应力与土的法向应力相等；（3）应力分担原则：加固单元竖向应力等于桩的竖向应力与土的竖向应力之和；（4）不考虑桩土的涂抹效应。
通常的复合地基沉降计算方法认为复合地基的沉降量为加固区压缩量和下卧层压缩量之和。应力修正法根据桩间土所分担的荷载及压缩模量计算加固区的压缩量。桩身压缩量法根据桩所承担的荷载及模量计算桩身的压缩量，它与上下刺入量之和为加固区的压缩量。这两种方法只考虑了桩体和桩间土的荷载分担，没有考虑它们的相互作用。复合模量法根据复合地基的复合模量，采用平均基底压力计算加固区的压缩量。吴慧明[2]通过有限元分析证实，在刚性基础下复合模量法具有较强的适用性，但在柔性基础下计算结果明显偏小。下卧层压缩量 常采用分层总和法计算，但目前还没有公认的下卧层顶面附加应力确定方法。黄绍铭[3]对Geddes法进行了改进，用于下卧层压缩量的计算，但该法中的荷载分担比尚难确定。
本文以贵州省某高速公路碎石桩复合地基为基础，建立单桩力学模型，为便于建模，按面积相等原则将桩体直径为400mm的圆形截面桩换算成边长为354mm的正方形截面桩，桩间距为1m，桩长为8.9m，桩顶铺设厚度为200mm的碎石垫层，由于碎石桩复合地基单桩模型沿桩中心轴线对称，因此根据对称性原理，为简化模型计算，取1/4截面作为计算复合地基的单桩数值模型见图3-1和图3-2。计算模型采用8结点六面体单元，共划分5个单元组，分别为垫层、桩体、淤泥质土、软塑土及持力层，材料参数详见表3-1。
该碎石桩复合地基模型为1/4截面，故在X=0和Y=0两平面上采用对称约束，在X=2000mm平面上采用X方向约束，在Y＝2000mm平面上采用Y方向约束，模型底面Z=18100mm处为Z方向约束。模型的加载方式与现场载荷试验相同，在承压板上逐级均匀加载。
4 影响因素
承载力和沉降量是碎石桩复合地基设计中很重要的参数，反映了碎石桩复合地基的工作性状，但因其影响它们的因素很多，其力学、数学模型也较复杂，难以精确计算，随着计算机技术的发展，诸多学者转而用数值方法进行研究。
本作者在试验的基础上，对碎石桩复合地基承载力和沉降量作了进一步的分析研究。建立单桩数值力学模型，见图3-2，通过对有限元数值模拟计算，分析了垫层厚度、垫层模量、桩径、置换率和荷载水平对碎石桩复合地基的沉降量（承载力）和桩体竖向最大应力的影响程度以及桩体中心点应力沿桩长的变化情况，具体分析如下：
（1）碎石桩复合地基总沉降量随着垫层厚度的增加而减小。垫层厚度取太小对碎石桩复合地基起不到调整桩土应力比和保护表土、改善接触条件的作用，垫层厚度取太大对碎石桩复合地基的沉降的影响作用不大，故垫层厚度在100mm～300mm之间较为经济合理。
（2）碎石桩复合地基总沉降量随着垫层模量的增加而降低。
（3）碎石桩复合地基的总沉降量随桩径的增加而减少，且近似为线性分布规律，但变化趋势平缓；同时桩体竖向最大应力值也随桩径的增加而减少，但非线性规律。
（4）碎石桩复合地基总沉降量随置换率的增大而减小，亦即总沉降随桩间距的减小而减小，桩体竖向最大应力也随置换率的增大而降低。通过综合比较，置换率在10％～25％之间较为合理。
（5）碎石桩复合地基总沉降量随荷载的增加而增大，而碎石桩桩体的竖向最大应力随荷载的增加而增加。
5 工程应用
该工程位于贵阳市某高速公路工程，地质情况分布为；地表淤泥层平均分布厚度在1.2～2米。下层为分布厚度在2.4～2.6米的软弱土层。
该工程碎石桩复合地基处理区域总面积为3356.66m2，碎石桩按梅花状布置，桩径为0.4m，间距为1m，深度为8.5m。
现场静力载荷试验的反力装置采用堆载法，其现场试验装置见图5-1。
上部堆载工字钢提供试验荷载。试验中在承压板中心放置油压千斤顶作为加载装置，其上架设四个位移传感器，连接自动记录仪监测地基沉降。单桩复合地基承压板（正方形）尺寸为930mm × 930mm，厚度为20mm的刚性板。
为进一步确定复合地基的承载力，探讨碎石桩处理软弱地基的实际效果和碎石桩复合地基的应力应变机理，对三个点进行了碎石桩复合地基的现场载荷试验，试验数据详见表5-1。
而通过数值模拟计算出的碎石桩复合地基沉降量数据详见表5-2。
根据数值模拟计算结果和现场载荷试验结果进行比较，在同一坐标系中作出了碎石桩复合地基现场试验和模拟计算的p-s曲线，见图5-2和图5-3。
通过与现场试验相同条件下对1#和2#点的数值模拟计算得出的承载力特征值为167kPa。其模拟结果与现场试验结果比较接近，验证了该工程的有限元数值模拟计算结果是可靠的。
6 结论
碎石桩作为一种应用较广的软弱地基处理方法，伴随着理论和施工的不断完善，其应用已取得了大量成果，但由于其本身和所处地理环境的复杂多变性，其理论还需要不断的深化研究。本文结合贵州省某高速公路软基处理工程实践，对复合地基的承载机理和试验进行研究分析，完成了碎石桩复合地基对现场的试验和有限元数值模拟计算的对比，以及对承载力、沉降量和桩体竖向最大应力等影响因素的分析。主要得出以下结论：
（1）通过试验对比，验证了两种碎石桩复合地基承载力的试验方法的可靠性，为今后的类似工程提供参考。
（2）通过对碎石桩复合地基的现场试验和有限元数值模拟计算的对比，两者比较接近，用ANSYS计算出的碎石桩复合地基的计算结果是可靠的。
图5-2 2#点试验与模拟p-s曲线由于本课题的研究受时间和试验条件的限制，本文主要完成了以上的研究工作，但仍有一些工作有待进一步完成。如：
（1）论文中的数值模型仅为贵州省某高速公路碎石桩复合地基所建，其计算结果具有一定局限性和针对性，对类似工程有一定的参考价值。但由于软弱地基种类繁多，性状复杂，并受众多因素的影响，建议在今后的工程中须按照有关规范加强现场试验，为工程的设计、施工和工程经验的积累提供依据。
（2）本文对碎石桩复合地基承载力和沉降量的现场试验和数值模拟计算进行了探讨，但对于理论上承载力和沉降计算的分析研究有待进一步深入。
（3）本文由于时间的限制，只针对碎石桩复合地基的单桩承载力做了数值分析，而对于群桩效应没有涉及，这将是笔者以后对复合地基研究的发展方向。
参考文献：
[1] 龚晓南. 复合地基理论及工程应用. 北京：中国建筑工业出版. 2007.
[2] 吴慧明. 不同刚度基础下复合地基性状研究：[博士学位论文]. 杭州：浙江大学. 2000，11.
[3] 黄绍铭等. 减少沉降量桩基的设计与初步实践. 第六届土力学及基础工程学术会议论文集. 上海：同济大学出版社. 1991.
[4] 邢仲星，陈晓平．复合地基力学特性研究及有限元分析．土工基础．2000，14（2）：1-4．
论文作者:张建
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/14
标签：地基论文; 碎石论文; 应力论文; 承载力论文; 数值论文; 荷载论文; 现场论文; 《低碳地产》2016年13期论文;