复合地基施工顺序优化机理特性分析.docx

    复合地基施工顺序优化机理特性分析    卢娜1 张 爱 军1谢 定 义2 (1. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100；2. 西安理工大学 水利水电学院, 陕西 西安 710048)Reference：通过数值模拟试验，计算分析了先加桩后填筑坝体（先桩后土）、先填筑坝体后加桩（先土后桩）和先填筑坝体后加桩并注浆（先土后注浆）3种情况下的地基固结变形、应力特性以秦岭电厂灰坝加固工程为例，探讨了复合地基施工顺序优化的方法机理和影响因素，结果表明：“先土后桩”的施工顺序较传统的“先桩后土”可以较大地发挥上部土体对地基的压密作用，使桩间土承担更大的上覆荷载，促进地基土的固结，大大减少地基的“工后沉降”，有利于坝体或路基的安全运行Keys：复合地基； 优化； 施工顺序； 数值模拟中图法分类号： TV223： A 施工顺序是影响坝基或路基下复合地基工后沉降的重要因素，施工顺序不同其工后沉降大不相同通过调整复合地基的施工顺序可以较大地减小地基的工后沉降、有效地消减施工中的超孔隙水压力，是对复合地基进行优化的有效方法［1］复合地基施工顺序优化就是通过调整施工顺序达到提高地基承载力、减小地基沉降的优化方法。

其代表性的技术有:逆做法成桩和无砂混凝土小桩复合地基技术无砂混凝土小桩复合地基技术的特点是先进行垫层和上部一定高度填土的施工（填筑高度由地基承载力决定），利用垫层和上部填土的压密作用使地基土压密一定程度，然后在填方顶部成孔填石，形成透水桩式复合地基，以成孔和碎石的透水特性消除地基以及上部填土层的施工超孔隙水压力，一定时间以后，待地基超孔压消散基本完成以后，进行孔内灌浆，形成无砂混凝土小桩，大大提高桩体的刚度与强度，并对桩与地基土之间的接触部位土体进行一定的胶结和压密，极大地提高地基的承载力，从而形成最终的复合地基本文以秦岭电厂灰坝加固工程为例［2］，通过数值模拟试验，计算分析先加桩后填筑坝体（先桩后土）、先填筑坝体后加桩（先土后桩）和先填筑坝体后加桩并注浆（先土后注浆）3种情况下的地基固结与变形特性，探讨无砂混凝土小桩复合地基技术的数值模拟方法，揭示了复合地基施工顺序优化的方法机理和影响因素，是复合地基优化研究的有益尝试 1数值模型 1.1计算参数与模型秦岭电厂灰坝加固工程的设计断面见图1所示地基为饱和粉煤灰，填筑坝体为压实的粉煤灰，垫层为土工布包裹的碎石层，底部设有“耐特龙”加筋网，地基采用无砂混凝土桩处理。

通过工程试验得到各土层的计算参数如表1、2所示其中:沉积和碾压灰采用剑桥模型,垫层和桩体采用M-C模型,加筋网采用线弹性模型计算时桩体填石以后的模量和渗透系数按照40 MPa和1×10-3 cm/s计算，注浆以后桩体的模量和渗透系数按照100 MPa和1×10-5 cm/s计算 1.2 计算软件和数值模拟方法 该工程的地基处理方法采用无砂混凝土小桩复合地基技术，其施工工艺流程为施工准备，施工垫层和加钢筋网，填筑上部填土，桩体成孔，桩内填石，然后分静置和不静置，最后成桩计算采用Adina软件进行分析计算中按Biot固结理论［3］，考虑了土体施工过程中超孔压的产生和消散过程 在数值模拟中，加筋网采用软件提供的“Rebar”单元进行模拟，该单元可以约束两点之间的位移，能够很好地模拟加筋网的嵌固作用，同时用“单元生死”技术模拟上部土体逐级加载的施工过程［4-5］桩体成孔填石的模拟是本次计算的关键所在实际施工中成孔填石过程有管桩支撑，一般为边上提管桩边填石，直到填石完成，这个过程牵涉到单元突变和管体支撑两个关键问题计算中利用Adina软件的同一位置“单元生死”功能和单元开挖的刚度“Decay time”功能模拟成孔填石过程。

具体方法为：将桩位置设置两种单元，一种是土单元；另一种是桩单元这两种单元节点相同，单元不同，单元组不同土单元在成孔时刻一次性“Death”（模拟桩位置地基土的开挖），在“Death”过程中设置其刚度在一定时间后才消失，即设置“Element death Decay”时间，以模拟成孔时套管的承力作用然后再将桩体单元分段“Birth”，模拟桩的填石形成过程，桩体“Birth”的时刻在土单元“Death”延缓时间之内，这样可以较为准确地模拟成桩过程中套管的临时支撑和部分土承力松弛的效果根据实际施工时间，本次计算中 “Element death Decay”时间确定为1 d，即：桩体填石成桩时，在1 d之内承担地基荷载的一半，而土单元的剩余刚度承担剩余荷载的一半，到1 d之后，土单元刚度消失，地基荷载全部由桩单元承担桩体注浆对于数值计算而言是桩体模量和渗透性的变化过程，是一个突变过程本次计算中，采用软件提供的“重启动”功能，分两步计算第一步就是上述的填石成桩等过程，第二步在第一步计算的基础上，保持第一步计算得到的超孔压、应力和变形场的结果，将桩体的材料参数进行变动模拟注浆以后桩体模量提高和桩体渗透性降低的实际过程。

第二步计算到坝体孔压消散基本完毕时结束计算中为了反映不同施工顺序的影响,按照先成桩后填土(简称为“先桩后土”)和先填筑上部碾压灰后成桩(简称为“先土后桩”),以及成桩后注浆3种情况计算,并对其进行比较分析,揭示复合地基施工顺序优化的机理与影响因素［6］ 第2期卢娜，等：复合地基施工顺序优化机理特性分析 人民长江2010年 2“先桩后土”与“先土后桩”顺序对比分析为了方便计算，设定“先桩后土”为“方案1”，其施工顺序为：在软弱地基中先加桩（透水桩），之后铺设土工格栅和垫层，然后填筑坝体将“先土后桩”设定为“方案2”，其施工顺序为：在软弱地基上先铺设土工格栅，然后在土工格栅上填筑垫层，再填筑上部坝体，待坝体填筑完毕后，进行桩体成孔填石形成桩体这两种复合地基从施工材料、参数和地基、垫层、土工格栅和子坝等各个方面均一致，从造价上看也基本一致，只是施工过程不同比较两种方案就可清楚地了解施工顺序对于复合地基承载能力的影响计算从施工开始时刻到1 673 d，分为100步进行 2.1固结沉降特性比较两种方案的最大沉降均发生在坝体中部垫层与地基交界处，垂直沉降分布规律均为：在软弱地基内，由底向上逐步增大；在垫层内由中间到两侧逐步减小；在坝体内由低到高逐步减小。

但是方案1垂直沉降集中在坝体中部，而方案2垂直沉降在坝基中分布较为均匀两种方案得到的最终总垂直沉降值有较大的差别其中方案1总最大沉降量为102.5 mm，而方案2总最大沉降量为245.8 mm由图2、3 可看出方案1总沉降值虽较小，但是工后沉降最终为36.2 mm,固结稳定较慢，沉降在坝体填筑完成后200 d以后才基本达到稳定；而方案2虽然总的沉降较大，但是固结稳定较快，在桩体填石完成后（25 d），坝体就产生了较大的固结沉降，之后迅速固结稳定，其工后沉降最终只有6.3 mm，仅为前者的17.4%图2两种方案最大节点总沉降时程曲线 图3两种方案计算工后沉降时程曲线（0～200d） 2.2超孔压特性比较分析 如图4 所示，方案1初期由于桩的存在孔压消散较快，方案2中初期孔压消散较慢，产生的超孔压较大，但是在成桩以后很短时间内就消散了地基内部绝大部分孔压，使超孔压值几乎为0，两种方案超孔压曲线在成桩以后基本重合 2.3应力特性比较分析通过计算得出，方案1桩上的应力较大，桩间土的应力较小，上部荷载在桩上的应力集中较为严重；方案2桩上应力也较桩间土大，但是桩间土承担的应力较方案1有较大的提高方案1的坝中桩体多数进入塑性状态，方案2中桩体基本未达到破坏。

图4两种方案成桩前后超孔压分布 3桩体注浆后复合地基的承载特性分析桩体注浆是一个复杂的过程，注浆后的主要效果有桩体强度提高、桩体模量提高、桩体渗透系数减小和桩周土的部分胶结和充填，同时还将桩体与桩间土之间的接触性能提高这些工效中起主要作用的是桩体本身性能的提高和桩土之间的接触更紧密［7-8］本次数值模拟中考虑主要方面，模拟了桩身强度、模量的提高和渗透系数的减少，以及桩与土之间的摩擦系数提高，而不考虑注浆对桩周土的胶结和挤密作用桩体注浆设定从成桩后3 d进行，注浆分析均从该时刻开始进行，计算终止时刻为施工开始后1 673 d 3.1固结变形特性分析图5、6 表明注浆后坝体中部和顶部均有上抬，但只有1 mm左右注浆开始上抬后，在很短时间内，坝体就固结稳定，注浆后坝体固结稳定时间比不注浆提前了近100 d工后沉降也表现为上抬，且注浆后坝体固结稳定的速度比不注浆快图5桩体注浆后坝顶、坝中节点总沉降和工后沉降时程曲线 3.2应力变化特性分析计算表明，注浆后初期桩体应力迅速增大，应力向桩体集中现象较为严重；之后，由于应力的重新调整和转移，桩上应力有所减小，但是减少的幅值不大，最后整个坝体应力重新调整平衡后就基本不再变化。

图6桩体注浆与不注浆工后沉降时程变化曲线 4结 论 （1） 施工顺序是影响复合地基工后沉降的重要因素先打桩后填上部土体可使地基总沉降得到有效控制，而先填土后打桩可以大大减少工后沉降对于不以总沉降控制的路堤、土坝等建筑物，采用“先土后桩”的施工顺序将有利于工后沉降的控制2） 从孔压消散的角度看，“先桩后土”与“先土后桩”两种施工顺序的最终超孔压值基本一致，但是采用“先土后桩”的施工顺序时，可以方便地在上部坝体内部设置透水桩体，这时坝体内部的超孔压也将得到有效的消减，对坝体稳定有利 （3） “先土后桩”可以使桩间土承担较大的荷载，有利于充分发挥桩间土的承力作用，对于提高整个地基的承载力是有利的4） 桩体注浆后由于桩体强度、刚度的提高，以及桩与桩间土之间接触性能的改善，在注浆初期桩间土应力向桩体转移，之后，应力重新调整，使得桩上应力有所减少，但是减少幅度不大总的来看，桩体注浆以后桩体应力较未注浆时有较大的提高；坝体工后沉降减小，固结稳定速度加快5） 施工顺序优化是复合地基优化的重要方面，其实质就在于通过调整施工过程达到复合地基优化的目的良好的施工顺序可以充分发挥上部建筑物荷载对地基的压密和加速固结作用，提高地基土本身的承载力，并使得沉降量绝大部分发生在施工期间，大大减少建筑物的工后沉降。

Reference：［1］孙林娜.复合地基沉降及按沉降控制的优化设计研究（硕士学位论文）［D］.杭州：浙江大学,2006.［2］邢义川.秦岭电厂二灰场应急子坝工程土工试验与原型观测［R］.水利部西北水力科学研究所研究报告，陕西:杨陵,1994.［3］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算（第二版）［M］.北京：中国水利电力出版社，2000.［4］冯瑞玲，谢永利.路堤荷载作用下复合地基的计算机辅助试验仿真分析［J］.土木工程学报，2004,（1）.［5］李永刚.复合地基优化设计理论数值试验研究(硕士学位论文)［D］.西安:西安理工大学,1999.［6］李海芳. 路堤荷载下复合地基沉降计算方法研究（硕士学位论文）［D］.杭州：浙江大学,2004.［7］ 陈仁朋,许峰.软土地基上刚性桩—路堤共同作用分析［J］.中国公路学报,2005,(3).［8］饶为国,赵成刚.复合地基工后沉降的薄板变形模拟［J］.应用力学学报,2002,（6）. Analysis of optimization mechanism of construction procedure of composite foundationLU Na1, ZHANG Aijun1, XIE Dingyi2(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest Agriculture and Forest University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Water Resource。