海南某機(jī)場(chǎng)樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降特性研究
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易光偉
（上海民航新時(shí)代機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分公司 廣州 510405）
摘要 以海南某機(jī)場(chǎng)樁網(wǎng)復(fù)合地基為例，在分析樁網(wǎng)復(fù)合地基作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)其沉降規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：樁網(wǎng)復(fù)合地基對(duì)總沉降量的控制能力較好，最大沉降量為176 mm,遠(yuǎn)小于采用其他軟土地基處理方法（如排水固結(jié)法）的沉降量；其沉降曲線符合一般地基的沉降規(guī)律；某位置的總沉降量與在樁網(wǎng)復(fù)合地基中的位置和軟土分布區(qū)的位置有一定關(guān)系。用復(fù)合模量法對(duì)剛性樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降量的計(jì)算結(jié)果相比實(shí)測(cè)偏大。
關(guān)鍵詞 樁網(wǎng)復(fù)合地基 沉降特性沉降計(jì)算
減小沉降及不均勻沉降一直都是軟土地區(qū)工程建設(shè)所關(guān)注的核心問題之一，如何盡可能減小工后沉降則是軟土沉降問題的重中之重。軟土沉降計(jì)算一般采用分層總和法，并通過考慮固結(jié)度來估算工后沉降。崔連蓮以疏樁基礎(chǔ)理論出發(fā)，提出了疏樁極限法來計(jì)算復(fù)合地基沉降量；趙明華等提出了考慮碎石樁排水的樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降計(jì)算方法；孫琦等通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬得出了CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基的沉降規(guī)律；曹光栩等提出了一種考慮施工加載的沉降計(jì)算簡(jiǎn)化方法，并與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比，得出了粗粒料填方的長(zhǎng)期蠕變規(guī)律；鮑樹峰等研究了剛性長(zhǎng)樁和柔性短樁組合復(fù)合地基的沉降規(guī)律；詹建華等以深圳某機(jī)場(chǎng)為實(shí)例，分析了該樁網(wǎng)復(fù)合地基的沉降規(guī)律。
樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降理論的研究中，綜合考慮樁的剛度、網(wǎng)的剛度的研究已有很多，相關(guān)的計(jì)算方法也有很多；大面積填土荷載下考慮軟土分布形式對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降特性的研究則比較少見。
本文以海南某機(jī)場(chǎng)樁網(wǎng)復(fù)合地基為例，在樁網(wǎng)復(fù)合地基作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降差異，得出了軟土分布形式對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降的影響規(guī)律，為相關(guān)地基處理設(shè)計(jì)、施工提供參考。
1樁網(wǎng)復(fù)合地基作用機(jī)理
樁網(wǎng)復(fù)合地基中的樁與網(wǎng)構(gòu)成了豎向增強(qiáng)體與水平向增強(qiáng)體共同受力的復(fù)合結(jié)構(gòu)。路堤、路面結(jié)構(gòu)層的重力與路面荷載通過路堤將豎直荷載傳遞給加筋土墊層，加筋土受力被壓縮，再將力傳遞給樁與樁間土；由于樁與樁間土的剛度差異極大，將產(chǎn)生“凹陷”變形；變形的不同，決定了樁與樁間土的受力形式不同。
1.1變形規(guī)律
1.1.1局部變形規(guī)律
網(wǎng)是一種柔性物質(zhì)，與樁間土一起起著“托底”的作用；墊層是一種散體物質(zhì)，自身的結(jié)構(gòu)性較差，在上覆荷載作用下，若沒有網(wǎng)的束縛，將會(huì)被樁端“刺穿”，在樁間距較大時(shí)，這種效應(yīng)變得更加顯著。因此，為防止網(wǎng)的破壞，樁間距不宜過大。樁間距一定時(shí)，正方形布樁的4樁中心的沉降是最大的，在各個(gè)方向均呈“凹陷”沉降形態(tài)，見圖1。
王富江的研究表明，加筋墊層的整體性良好，土工格柵網(wǎng)在面積置換率不變的情況下提高了樁土應(yīng)力比，降低了樁一土沉降差，并限制了樁頭附近土壓縮區(qū)的范圍與高度，降低了復(fù)合地基對(duì)路床的影響，提高了路堤的穩(wěn)定性。
道路對(duì)不均勻沉降比較敏感，樁網(wǎng)復(fù)合地基的樁端持力層一般為較好土層或巖層，同時(shí)按端承樁或摩擦端承樁考慮；受填土荷載大小、軟土與下臥層物理力學(xué)性質(zhì)差異的影響，樁頂與樁底的壓縮區(qū)范圍、高度分布比較復(fù)雜。端承樁的主要荷載由樁身傳往下端持力層，在沉樁前后樁底壓縮區(qū)的分布范圍較大，高度較高；道路建成以后，應(yīng)力重分配，樁端壓縮區(qū)范圍縮小，樁端附近軟土壓縮區(qū)高度降低。
沉樁時(shí)樁對(duì)原地基土有擠密作用，在豎向荷載作用下，土體也會(huì)發(fā)生一定側(cè)向變形。樁間土的側(cè)向位移受填土高度、樁土應(yīng)力比的影響較大。填土高度越高、樁土應(yīng)力比越小，樁的側(cè)向位移就越大；軟土的固結(jié)需要較長(zhǎng)時(shí)間，樁間土受力壓縮，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，壓縮模量增大，側(cè)向變形也就隨之增大。隨著深度的增加，受填土荷載的影響越來越小，側(cè)向變形也逐漸減小。
1.1.2整體變形規(guī)律
樁的剛度較大，樁間土、加筋墊層的剛度均較小，因此樁網(wǎng)復(fù)合地基可以看做是一種類彈性地基上的完全柔性基礎(chǔ)。在這種情況下，其樁頂、樁底的沉降變形曲線見圖2。由于樁將大部分上部荷載傳遞給下臥層，樁間土受力較小，應(yīng)力擴(kuò)散同時(shí)受樁的影響，機(jī)制復(fù)雜。加筋墊層受上部填土荷載作用，加固區(qū)中心的沉降最大，邊緣最��；同時(shí)由于加筋墊層整體性起到了荷載重分配的作用，因此這種差異沉降不大，文獻(xiàn)[7]的研究表明這種差異沉降僅為加固區(qū)中心沉降量的21%。同時(shí)由于加固區(qū)受壓的側(cè)向變形會(huì)對(duì)非加固區(qū)有側(cè)向應(yīng)力，復(fù)合地基邊緣常有一定的地表隆起。樁底下臥層為較硬土層，與樁頂土體整體沉降形態(tài)類似。
1.2力學(xué)機(jī)理
樁網(wǎng)復(fù)合地基的主要力學(xué)表現(xiàn)為土拱效應(yīng)和力膜效應(yīng)，見圖3。張棟棵給出了土中應(yīng)力軌跡，見圖4。土工格柵的拉力則較為復(fù)雜，現(xiàn)行規(guī)范只給出了保守的計(jì)算方法。
樁身側(cè)摩阻力大致與樁間土體變形范圍一致，不同的是樁身上部受負(fù)摩阻力，而下部為正摩阻力。
2樁網(wǎng)復(fù)合地基設(shè)計(jì)
2.1工程概況
海南某機(jī)場(chǎng)地處海南省中南部，剝蝕殘丘、河流一、二級(jí)階地地貌，場(chǎng)區(qū)分布有素填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，巖層為砂巖。素填土均勻性差、工程性質(zhì)差，廣泛分布于全場(chǎng)區(qū)；局部粉質(zhì)粘土、全部淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，均勻性差、工程性質(zhì)差，為軟土，分布于場(chǎng)區(qū)低洼處；局部粉質(zhì)粘土為弱膨脹土，除此之外，均勻性一般、工程性質(zhì)良好，廣泛分布于全場(chǎng)區(qū)；砂巖揭露的為強(qiáng)～中風(fēng)化砂巖，工程性質(zhì)良好，廣泛分布于全場(chǎng)區(qū)。
2.2設(shè)計(jì)原則
飛行區(qū)道槽區(qū)以道肩邊線兩側(cè)外擴(kuò)5m為邊界；按《民用機(jī)場(chǎng)巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，道槽區(qū)工后沉降量以20 cm（20年）、工后差異以0.15%控制；土石方填筑后應(yīng)有一定的自然密實(shí)周期，一般應(yīng)不少于1個(gè)雨季。實(shí)際工程中，在施工期間和工后進(jìn)行沉降和變形監(jiān)測(cè)，通過沉降預(yù)測(cè)來確定預(yù)留沉降期。道床最小強(qiáng)度、土基頂面最小反應(yīng)模量見表1，2，土石方填筑按相關(guān)規(guī)范施行。
最終沉降量計(jì)算采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的復(fù)合模量法計(jì)算，工后沉降按飽和土體一維固結(jié)理論（太沙基固結(jié)理論）計(jì)算。沉降計(jì)算時(shí)，大面積填土荷載應(yīng)力不擴(kuò)散。
2.3方案設(shè)計(jì)
換填法工藝簡(jiǎn)單、成本較低，道槽區(qū)中厚度較小的軟土分布區(qū)采用換填法處理，換填平均厚度暫按2.5 m估算，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)全部清除。
裝網(wǎng)復(fù)合地基在處理深厚軟土地基具有較大優(yōu)勢(shì)：不需長(zhǎng)時(shí)間預(yù)壓，施工速度較快，能大大降低工后沉降，處理效果可靠，在工期緊迫、深厚軟土的道路路基地基處理中應(yīng)優(yōu)先選擇這種方法。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為在軟土處理厚度在12～15 m時(shí)，2m的樁間距能較好發(fā)揮樁的作用并降低群樁效應(yīng)；正方形布樁受力更均勻，并能更好地與路基邊緣相適應(yīng)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。
(1)樁型采用PHC-A400 - 95型預(yù)應(yīng)力管樁，正方形布置，樁間距2.0 m，樁長(zhǎng)以穿過淤泥質(zhì)土層底并進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層1.0～1.5 m，采用靜壓法或錘擊法沉樁。
(2)樁頂設(shè)置正方形混凝土樁帽，邊長(zhǎng)為0.8m，高度為0.4 m，樁頭進(jìn)入樁帽0.1 m，樁帽頂面布置cp8 @100鋼筋網(wǎng)，保護(hù)層厚度50 mm，鋼筋采用HRB335，混凝土標(biāo)號(hào)不小于C30。
(3)復(fù)合地基頂層設(shè)置0.4 m厚度加筋土褥墊層，土體材料選用級(jí)配良好的碎石或砂礫，粒徑不大于10 cm，含泥量不大于6%，采用靜力壓實(shí)法壓實(shí)，壓實(shí)后墊層的固體體積率不小于82%。
(4)褥墊層加筋采用雙向經(jīng)編土工格柵，距離褥墊層頂、底面10 cm處各布置1層，所用材料可為滌綸、腈綸或錦綸長(zhǎng)絲等，不得采用聚乙烯或聚丙烯材料，縱、橫向5%延伸率下的抗拉強(qiáng)度不低于60 kN／m，最大延伸率不大于10%，格柵孑L眼尺寸不大于25 mm。
3沉降特性分析
3.1 樁網(wǎng)復(fù)合地基區(qū)沉降監(jiān)測(cè)
在地基處理之后于加筋墊層底端4樁中心安裝沉降板，待沉降相對(duì)穩(wěn)定后方開始填方施工。剔除異常數(shù)據(jù)并取最后4次觀測(cè)值的均值，繪得地基處理B區(qū)沉降等值線圖見圖5。
3.2樁網(wǎng)復(fù)合地基區(qū)沉降特性
樁網(wǎng)復(fù)合地基中的樁采用了PHC管樁，為剛性樁。為了防止對(duì)土工柵格的破壞，墊層施工時(shí)不能用沖擊碾壓方式進(jìn)行夯實(shí)，每層填土量較小，填土速率較慢，故初期沉降速率較慢；受施工影響，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降步調(diào)大體一致，但數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一定波動(dòng)。
進(jìn)行大規(guī)模填方施工后，填筑速率較快，地基沉降受填方荷載影響顯著，復(fù)合地基沉降速率明顯增大。土方施工后期，沉降趨于穩(wěn)定，但仍在不斷發(fā)展；最后30 d的觀測(cè)表明，盡管道面結(jié)構(gòu)層在施工，但由于下方填土已經(jīng)較厚，對(duì)復(fù)合地基的影響不大，沉降趨于穩(wěn)定。
整個(gè)填方施工至工后觀測(cè)期間，地基沉降曲線呈現(xiàn)明顯的S形，符合一般地基沉降生長(zhǎng)曲線規(guī)律。
圖5顯示，大面積填方荷載下樁網(wǎng)復(fù)合地基的總沉降量和軟土分布有一定關(guān)系：復(fù)合地基中心部位的沉降稍大，軟土分布區(qū)中心部位的沉降稍大，契合樁網(wǎng)復(fù)合地基整體沉降規(guī)律。
同時(shí)采用了《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》復(fù)合模量法計(jì)算，但沉降量與按監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的沉降量相比偏大，證明復(fù)合模量法對(duì)剛性樁網(wǎng)復(fù)合地基的沉降計(jì)算需要修正。
4結(jié)論
(1)樁網(wǎng)復(fù)合地基對(duì)總沉降量的控制能力較好，最大沉降量為176 mm，遠(yuǎn)小于采用其他軟土地基處理方法（如排水固結(jié)法）的沉降量。
(2)海南機(jī)場(chǎng)的沉降曲線符合一般地基的沉降規(guī)律。
(3)位置的總沉降量與在樁網(wǎng)復(fù)合地基中的位置和軟土分布區(qū)的位置有一定關(guān)系，為地基處理設(shè)計(jì)提供參考。
(4)復(fù)合模量法對(duì)剛性樁網(wǎng)復(fù)合地基沉降量計(jì)算相比實(shí)測(cè)偏大。
