王斌 韦正鹏

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

黄土作为一种特殊性土，其特性主要表现在结构性、欠压密性以及湿陷性。其中，湿陷性是黄土的核心特征，具体表现在，土体在受到水的浸入后，由于上覆土层的自重应力作用，或者在自重应力和附加应力的共同作用下，土体结构会迅速破坏并产生明显的附加下沉[1]。甘肃省湿陷性黄土主要分布在陇西及陇东地区。该地区湿陷性黄土具有分布广，湿陷性黄土层厚度通常大于10m，地基湿陷等级多为Ⅲ、Ⅳ级，湿陷性敏感程度大，对工程建设的危害程度较大[2]。

甘肃省境内G6京藏高速公路兰海段位于湿陷性黄土地区，路基沉陷最为严重，养护单位对沉陷路段连年进行维修处治，在通车运营期间，有多处工点累计沉降超过50cm，甚至处治后有继续沉降趋势，成为甘肃公路养护工程中的顽疾。在2012年至2014年相继通车的雷西高速、西长凤高速、营双高速均有不同程度的沉陷病害，严重影响道路行车安全性，同时也造成一定程度的安全隐患。

1 复合地基变形计算分析方法

目前国内外对复合地基变形计算的主要方法有解析法、规范法、数值分析法等。

解析法[3]大多以Mindlin解为基础的Geddes积分作为复合地基中桩体荷载在土中所产生的附加应力计算公式，以此利用分层总和法等对复合地基进行沉降计算。

规范法主要依据现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007）相关规定[4]，根据各地区沉降观测资料确定经验系数，计算复合地基沉降结果。

数值分析法是目前复合地基变形计算的常用方法，其主要依据有限元法和有限差分法等原理，按照实际工况建立相对应的复合地基模型。模型中结合边界条件、桩土本构模型以及施加荷载等要素，较为直观地计算复合地基的应力场及位移场。

2 复合地基模型沉降量分析

G6京藏高速公路兰海段于2002年通车运营以来，多年来受降雨等多方面原因，造成该段高速公路路基沉降较为严重，为了保障公路畅通，2017年，养护部门对水毁造成的病害进行修复完善，对新旧路基拼接处的不稳定沉降及湿陷性黄土路段的不均匀沉降采用干拌水泥碎石桩、高压旋喷桩等方法进行处治。

本文以兰海段复合地基处理工程为依托，通过数值分析的方法计算复合地基在车辆荷载与复合地基自重作用下的沉降量情况，结合实际工程的沉降观测数据，验证数值分析的合理性。

2.1 计算模型建立

在桩基设计施工中，群桩一般采用等边三角形布置或正方形布置，两者均为轴对称形式，该类布桩形式的特点是受力呈轴对称体系。因此，在建模分析中，可建立1/4模型对构筑物进行计算分析[5]。

结合兰海段复合地基设计方案，本文建立模型选取的主要尺寸参数为：成桩直径60cm，桩间距150cm，桩体按照正方形形式布置，需加固区土层深度12m（假定模型12m深度以下土层为稳定土层）。模型尺寸参数为：长6m，宽6m，深18m。

图1 1/4模型示意图

为探索桩基在深入稳定土层不同深度情况下的地基处理效果，模型按照五种工况建立，分别为：桩基深入稳定土层0m、0.5m、1m、1.5m以及2m。具体模型如下图所示：

图2 深入稳定土层不同深度工况下的数值模型

2.2 模型材料参数

复合地基数值分析在选择计算模型时一般遵循如下假设：同种材料为均匀、各向同性体，地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性模型[6]。桩体与加载板之间、桩体与桩周土之间均设置耦合弹簧接触，以此来模拟两者之间的相对移动。

在FLAC3D[7]摩尔-库仑模型中，需要的参数包括：体积模量K（bulk）、剪切模量G（shear）、粘聚力（cohesion）、内摩擦角（friction）以及密度（density）。体积模量K、剪切模量G和弹性模量E及泊松比ν之间又存在如下关系：

表1 需加固区土体参数

2.3 确定施加荷载

与建筑方面复合地基处理不同，公路复合地基主要承受车辆荷载与复合地基自重，且车辆荷载具有瞬时性，同时其荷载大小基本为定值（可视为单个轮胎对桩基施加荷载）。因此，在数值模拟中，应结合道路实际情况，规范计算施加于桩基顶面的荷载。

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50）规定，路面设计应采用轴重为100KN的单轴-双轮组轴载作为设计轴载。单个轮胎的轴重为25KN，桩基直径D=60cm，由此计算出单个轮胎对桩基顶面的接地压强为88.42kPa。因此，在模拟分析中，对桩基顶面施加竖直向下88.42kPa的压应力进行计算分析。

2.4 复合地基模型沉降分析计算

计算分析过程中，监测1#、2#、3#、4#桩以及桩间土相应节点的各向位移（着重考虑竖向位移）。观察监测点位移在应力持续作用情况下的变化规律，如图3所示。

图3 桩深入稳定土0m、2m工况下4#桩的竖向位移变化

从图3可以看出，4#桩桩体在分别深入稳定土层0m和2m工况下，桩体均会产生不同程度的沉降，其中在深入稳定土层0m时，桩体最终沉降1.81cm，在深入稳定土层2m时，桩体最终沉降1.36cm。

整个沉降过程可以分为两个时间段，在前1/3时段为沉降幅度最大的时间段，在后2/3时段，沉降幅度急剧下降，位移逐渐趋于平稳状态。

从图4中可以看出，1#桩桩体在分别深入稳定土层0m、0.5m、1m、1.5m以及2m工况下，桩体达到稳定平衡条件时的最终沉降量分别为1.81cm、1.71cm、1.58cm、1.51cm以及1.40cm。随着桩体深入稳定土层深度逐渐的增加，桩在达到应力平衡状态时的最终沉降量也明显降低。因此在地基承载能力要求较高的路段施工时，要确保桩体深入稳定土层的深度达到一定的要求。

复合地基承载力的计算方法有多种，其中一种是将桩和桩间土分开考虑，然后将各自的承载力按照一定的原则组合叠加得到复合地基的承载力。本次分析中，为探究桩间土在应力持续作用下的应变情况，计算过程中监测了3#桩与4#桩直线段落上桩间土的应变情况，监测点分别为点B、C、D、E、F、G以及H（如图5所示）。

计算结果显示，相应监测点的竖向位移值分别为：-1.3722cm、-1.3501cm、-1.3416cm、-1.3355cm、-1.3342cm、-1.3370cm以及-1.3557cm（桩深入稳定土2m工况下），相应工况下3#桩与4#桩的竖向位移分别为-1.375cm与-1.358cm（如下图所示）。监测点中最大沉降量与最小沉降量之差为0.041cm，由此可以看出，在应力持续作用下，复合地基的沉降量基本一致。可避免在车辆荷载作用下路基产生的不均匀沉降现象，地基处理效果较为理想。

图4 1#桩在不同工况下的竖向沉降量

图5 桩间土监测点布置图

图6 桩深入稳定土2m工况下桩间土竖向位移变化情况

2.5 兰海段复合地基沉降观测分析

在兰海段复合地基施工过程中，为确保施工质量，路基部分采用瑞雷面波的方法进行施工控制。具体观测方案为：在控制位置的每条车道的中间位置设定沉降观测点，每隔15天观测一次，计算总沉降量。

图7 瑞雷面波现场采集图

选取其中五处路基处理观测点数据，由监测数据可以看出，复合地基的最终监测的沉降量大致在15mm左右，与计算模型分析结果大体一致。由此可以说明，计算模型的建立与参数的选择相对合理。

3 结语

本章结合FLAC3D原理，在设计轴载作用下，对桩基深入稳定土层不同深度工况下的复合地基沉降量变化进行分析计算，主要得到以下结论。

1）整个沉降过程可以分为两个时间段，在前1/3时段为沉降幅度最大的时间段，在后2/3时段，沉降幅度急剧下降，位移逐渐趋于平稳状态。说明在复合地基服役前期，随着车辆荷载与复合地基自重的双重作用，桩体与桩周土之间的挤密程度进一步改善，有效提高了路基的承载能力。

图8 各工点沉降观测分析

2）桩体在分别深入稳定土层0m、0.5m、1m、1.5m以及2m工况下，桩体达到稳定平衡条件时的最终沉降量分别为1.81cm、1.71cm、1.58cm、1.51cm以及1.40cm。随着桩体深入稳定土层深度逐渐的增加，桩在达到应力平衡状态时的最终沉降量也明显降低。

3）监测桩体与桩间土在设计轴载作用下的沉降量，结果显示监测点中最大沉降量与最小沉降量之差为0.041cm，由此可以看出，在轴载持续作用下，复合地基的沉降量基本一致。成桩直径60cm，桩间距150cm的布桩设计较为合理。

4）结合兰海段路基处理实际工况，由实际监测数据可以看出，复合地基的最终监测的沉降量大致在15mm左右，与计算模型分析结果大体一致。