王宇航

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

隨著我國高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，在軟土地區(qū)興建高速公路不可避免。水泥土攪拌樁軟基處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實際工程中，因而研究復(fù)合地基變形及樁土共同作用的特點對高速公路的建設(shè)具有非常重要的意義。陳福全等[1]研究了單排樁、雙排樁在地面堆載荷載大小與作用位置、樁與土層條件、樁身約束條件等工況中的性狀。桂勁松等[2]分析了板樁的變形、板樁的彎矩和剪力分布、樁周的土壓力分布、地基土的沉降和應(yīng)力情況。王惠民等[3]揭示了支撐剛度對支護樁位移、支撐軸力的影響規(guī)律。董聯(lián)杰等[4]采用PLAXIS模擬計算得出不同淤泥厚度情況下、不同支護樁形式及不同樁長情況下市政排水管道沉降量。陳勃[5]分析了大型預(yù)應(yīng)力混凝土方樁的側(cè)向位移、彎矩、地表沉降變化。張如林等[6]分析了基坑開挖深度、支護結(jié)構(gòu)剛度、支撐剛度、土體參數(shù)等設(shè)計、施工和自然環(huán)境因素對支護結(jié)構(gòu)變形的影響。

綜上，按等效剛度的原則可以實現(xiàn)樁在plaxis中的有效模擬。本文以某高速公路水泥土攪拌樁復(fù)合地基為依托，基于Plaxis有限元數(shù)值分析軟件，對復(fù)合地基的應(yīng)力應(yīng)變進行分析，并分析復(fù)合地基中樁與土的作用規(guī)律，為復(fù)合地基的理論分析和實踐提供一定的借鑒意義。

1 數(shù)值模型

選取廣東某高速公路的典型斷面(K1+050)進行計算分析，路堤寬度為24 m，路堤的高度為4 m，兩側(cè)坡度為1∶1.5，該斷面為采用水泥土攪拌樁的復(fù)合地基，水泥土攪拌樁樁長8 m，樁徑0.5 m，梅花形布樁，樁間距1.5 m，地下水位在地表以下2 m。

1.1 樁體轉(zhuǎn)化

根據(jù)等效剛度的原則，在進行數(shù)值分析時，需先將三維樁體進行等效轉(zhuǎn)化為二維連續(xù)墻體。按照單根樁處理土體面積相等的原則對樁體進行墻體轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化公式如下：

(1)

B=m×S

(2)

式中：D為樁體直徑；S為樁間距；B為轉(zhuǎn)化后的墻體寬度；m為面積置換率。

Plaxis中板單元的剛度參數(shù)轉(zhuǎn)化公式如下：

EA=E×B×S

(3)

EI=E×S×B3/12

(4)

式中：E為樁體彈性模量；A為樁體轉(zhuǎn)化后的等效截面面積；I為樁體轉(zhuǎn)化后的截面慣性矩。

梅花形布樁轉(zhuǎn)化為板單元示意圖見圖1。

圖1 梅花形布樁轉(zhuǎn)化為板單元示意圖

1.2 幾何模型

由于是軸對稱平面應(yīng)變問題，故而只選取右半部分進行研究。為滿足精度要求，故采用15節(jié)點單元。莫爾-庫倫模型可以比較直觀反映出土體的塑性變形以及土體的破壞情況，雖然在土體破壞之前其反映出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為彈性變形, 但由于其精度能夠滿足工程實際要求而得以廣泛應(yīng)用，故對土地基土采用莫爾-庫倫模型，墊層采用莫爾-庫倫模型，樁體采用彈性模型。樁和土體的接觸面采用10單元無厚度界面單元模擬，通過界面強度折減因子Rinter對相應(yīng)土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角進行折減，以此來考慮樁體與相鄰?fù)馏w之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角的差異性。模型位移邊界條件作如下假定：模型的左、右邊界水平方向位移為零，豎直方向允許發(fā)生變形，下邊界水平及豎直方向的變形均為零。

數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型圖

1.3 計算參數(shù)

路堤土和路基土計算參數(shù)為試驗數(shù)據(jù)，詳見表1，板單元計算參數(shù)見表2。

表1 路堤土和路基土計算參數(shù)表

表2 板單元計算參數(shù)表

1.4 初始條件

初始孔壓是由地下水所產(chǎn)生的靜孔壓，除飽和土樣含有初始孔壓外，其余非飽和土沒有初始孔壓，本文未考慮地下水影響。初始應(yīng)力是指由地基土自重引起的應(yīng)力情況。初始孔壓及初始應(yīng)力由Plaxis程序自動生成，如圖3所示。

2 計算結(jié)果分析

路堤填土過程分為4步，每步填土1 m，每步施工工期30 d(實際施工為5～7 d填土20～25 cm)，填土步驟過多影響計算時間，對計算精度提高不大。經(jīng)過有限元計算分析，可以得到相應(yīng)的位移和應(yīng)力分布圖。

2.1 位移成果分析

填土完成后總位移如圖4所示。結(jié)果表明：最大總位移發(fā)生在路堤中心線底部，最大位移量為0.64 m；最大水平位移發(fā)生在坡腳處，最大位移量為0.43 m；最大垂直位移發(fā)生在路堤中心線底部，最大位移量為0.64 m；樁間土有一定的豎向向上的位移量，范圍在0.30～0.60 m之間。樁間土變形的原因是復(fù)合地基的土拱效應(yīng)，土拱效應(yīng)使得樁體與樁間土之間有相互滑動的趨勢，促使樁與土共同受力。

圖4 總位移圖

2.2 有效應(yīng)力

填土完成后有效應(yīng)力如圖5所示。結(jié)果表明：最大有效應(yīng)力發(fā)生在樁底處，最大值為-150 kPa；樁頂褥墊層處有效應(yīng)力范圍在80～100 kPa之間，樁頂有效應(yīng)力的存在證明了褥墊層的重要性。

圖5 有效應(yīng)力圖

2.3 樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比是指在荷載作用下，樁頂應(yīng)力和樁間土表面應(yīng)力之比。用以分析復(fù)合地基樁與土共同作用機理。樁土應(yīng)力比的計算值如表3所示。

表3 樁土應(yīng)力比計算值

2.4 受力性狀

通過模擬分析可知，樁和基礎(chǔ)之間褥墊層的協(xié)同作用可以有效發(fā)揮地基土強度，復(fù)合地基應(yīng)力主要在樁頂褥墊層處和樁底處，樁土應(yīng)力比在2～2.5之間，與復(fù)合地基實際情況相符。

3 結(jié) 語

本文以某高速公路為依托，利用有限元分析軟件Plaxis建立復(fù)合地基數(shù)值模型，計算分析了復(fù)合地基的應(yīng)力應(yīng)變。得到如下幾點結(jié)論：

1)梅花形布樁經(jīng)二維轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻之后，能夠較好地模擬復(fù)合地基下的樁土受力性狀；

2)在褥墊層的作用下，樁體在路基中能發(fā)生一定的刺入變形(向上刺入褥墊層，向下刺入持力層)，形成了土拱效應(yīng)，有利于復(fù)合地基中樁與土的共同作用；

3)隨著荷載的增加，樁應(yīng)力和土應(yīng)力隨之增加，但樁土應(yīng)力比基本趨于穩(wěn)定值，說明復(fù)合地基中樁土的應(yīng)力分配存在規(guī)律，即荷載在一定變化范圍條件下，樁土應(yīng)力比基本為定值，可以為后續(xù)復(fù)合地基的研究及工程實踐提供一定的借鑒意義。