碎石桩复合地基承载力试验与数值模拟

蔡 念

（福建水利电力职业技术学院 福建永安366000）

0 引言

我国幅员辽阔，各地地质条件差异较大，因此工程建设所面临的地基条件往往具有明显的地域性。在我国的沿江、沿湖地区常常分布有大片的软土层。在这些地区进行工程建设时，为提高软土地基的承载力，常采用碎石桩复合地基。

碎石桩技术诞生于20 世纪30 年代［1］，当时主要用于提高砂土地基的承载力。由于碎石桩出色的加固能力，现已被广泛应用到软土地基的加固中［2］。自碎石桩技术诞生以来，国内外众多学者对其有关性质进行了系统的研究，邓修甫等人［3］从受力的角度出发，将碎石桩复合地基的沉降分为鼓胀区、非鼓胀区及桩底沉降区3个区段。张千管［4］通过分析每种碎石桩复合地基的沉降特征，建立了“厚壁圆筒模型”，HASSEN 等人［5］通过模型试验发现贯入碎石桩可有效提高地基的抗液化能力。PUNETHA 等人［6］分析了桩身承载力膨胀的主要形成原因。

随着计算机技术的发展，近年来越来越多的学者用数值模拟的方法对碎石桩复合地基的相关性质进行研究，并取得了一系列成果，PAL等人［7］用有限元软件建模，进行了数值分析模拟计算，总结得出了GPCF沉降量和震后残余沉降速度。陈强等人［8］利用数值模拟技术对碎石桩复合地基的力学性质进行研究后，认为碎石桩可将上覆荷载传递至其7倍桩径处。

本文以某新建小区工程为依托，利用原位静载试验与数值模拟对上覆荷载下的碎石桩复合地基的应力分布进行研究，得到其应力分布云图，同时结合原型与模型的P-s 曲线特征，对碎石桩复合地基的作用原理进行了阐述。对工程设计具有一定的指导意义。

1 位置特征

施工区域位于呼和浩特市中部，地处土默川平原，场地地貌特征为大黑河上游冲积平原，大部分为冲积平原。地势总体平坦，由东北向西南略微倾斜，海拔高度为1 035 m。历年年均降水量为400.00 mm。

2 场地工程地质条件

场地距大黑河河谷约4.0 km。目前拟扩建的场地及勘探点周边区域地形平坦开阔，整体地形中部北高南低，深部存在古大青山冲洪积扇。整体地形稍平坦但有轻微起伏，勘探点周边区域地面平均标高为1 052.50～1 056.70 m，最大勘探点标高差为4.20 m。现扩建的场地为荒地，杂草丛生，局部约1.00 m左右素填土。

3 碎石桩复合地基现场试验研究

利用静载试验测试复合地基的承载力（装置见图1），试验参数如下：桩径800@1 500 mm，正方形布桩，桩长L=5 m，承载板面积为2.25 m2。

图1 压重平台反力装置Fig.1 Counter Force Device of Ballast Platform

测试中，当P-s曲线过于平缓时，则意味着无法从曲线上确定极限荷载和比例极限。遇此情况，应按照《建筑地基处理技术规范：JGJ 79—2012》［9］的相关规定，对复合地基承载力特征值取s/b 或s/d 等于0.01 时所对应的堆载压力［9］，即为15 mm（承载板边长为1.5 m）沉降时所对应的压力。

根据文献［9］和《建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011》［10］的要求，在小区中选择了9 个点进行试验。试验加载等级为10 级，各级相差30 kPa，最大加载值300 kPa。各点P-s曲线如图2所示。

图2 各点P-s曲线Fig.2 P-s Curve at Each Point

由图2可知，①～⑨点15 mm沉降所对应荷载处于185～243 kPa范围内。均大于150 kPa，根据文献［9-10］的要求，承载力特征值不应大于最大加载压力的一半，据此判定该地基土承载力特征值为150 kPa。

4 数值模拟分析

计算机和软件行业的发展，使得有限元数值模拟的方法越来越先进，在有限元模拟中，可以实现许许多多在现实中因各种情况无法完成的试验与想法。本章利用COMSOL 软件对该工程部分碎石桩复合地基的有限元数值模拟，得到复合地基的压力与变形之间的关系。

4.1 建模假设

为使模型数值分析时简化，在有建模的过程中，做出以下假设：

⑴不考虑地下水下降作用，桩土均为均质的各向同性材料。

⑵碎石桩与地基土为弹性体。

⑶施加重力并在桩土连接底面设竖向约束（辊支撑），在土体边缘设置固定约束，排除因重力导致得位移和速度等，完成地应力平衡。

⑷载荷板为理想刚体，设置为刚体域。

⑸使用收敛性准则，计算到不收敛时即土体发生破坏。

4.2 模型的选择及参数设定

4.2.1 模型的选择

碎石桩复合地基的桩土关系很复杂，在加载过程中当土达到屈服时失效，在COMSOL模拟时收敛性极差。在软件中对于弹塑性材料中土体的可塑性，屈服准则包括Drucker-Prager 准则和Mohr-Coulomb 准则，在本文的数值模拟中选择土体塑性莫尔-库仑屈服准则描述。

4.2.2 模型参数设定

模拟的对象为现场碎石桩复合地基（桩长5.0 m，桩间距1.5 m），模型（地基土）的主要参数如表1所示。

表1 模型的主要参数Tab.1 Main Parameters of the Model

边界条件：整个地基土周围和底部设置固定约束，桩土接触设置辊支承，土和桩上部为自由端，承载板盖在地基土与碎石桩上，在承载板上设置边界荷载（30 kPa）。

4.3 数值分析

通过计算机对3.1、3.2节所建的模型进行加载（最大荷载为300 kPa），得到模型的P-s曲线与应力云图，如图3、图4 所示（因篇幅有限，图4 仅展示300 kPa 荷载作用下的模型应力云图）。

图3 最大荷载为300 kPa时的模型P-s曲线Fig.3 Model P-s Curve at 300 kPa Maximum Load

由图3 可知，模型的P-s曲线形态为缓变型，总体沉降量较小且稳定，总体上未出现陡降线型，根据曲线特征，判断极限承载力大于300 kPa，承载力特征值为150 kPa，这与前章现场静载试验的结果基本吻合，说明模拟的结果是可信的。由图4可知地基应力主要集中在桩身上部2 m 范围内（包括桩身上部附近土体），且向下衰减的很快，导致沉降集中于桩顶，端部少有沉降；桩体上部压缩变形量大，且由于剪胀作用造成其侧向膨胀。

图4 300 kPa荷载作用下的模型应力云图Fig.4 Cloud Chart of Model Stress under 300 kPa Load

继续增大荷载，当荷载增大到504 kPa 时模型的P-s曲线达到突降拐点，此后曲线不收敛，即意味着复合地基被破坏，其P-s曲线如图5所示。

图5 模型P-s曲线Fig.5 P-s Curve of Model

由图5可知，在200 kPa附近图形斜率开始逐渐变大，说明地基土体进入塑性变形阶段，200 kPa 为比例界限，根据文献［9］可取200 kPa 作为模型的承载力特征值。504 kPa 为模型的P-s 曲线突降拐点（极限荷载），意味着地基土体被破坏。

4.4 碎石桩复合地基的作用原理

当碎石桩承受上覆荷载时，桩身轴向及侧向均会产生变形，桩身在受到侧摩阻力（方向向上）作用的同时也受到桩间土的侧向压应力作用。从垂向看，侧摩阻力致使上覆荷载向下传递的能力减弱。且因碎石桩在变形过程中与周围土体的协调性较强，故桩、土沉降同步性较好，相对沉降细微可忽略，致使应力向下衰减的速度较快（端阻力小），导致复合地基的应力呈现出如图5的分布态势。

在荷载增大的前提下，桩体与地基土会先后达到变形极限，这就意味着在此地基中桩与土都能够很好地发挥出各自的承载能力。

5 结论

以某新建小区工程为依托，利用原位静载试验与数值模拟，对上覆荷载下的碎石桩复合地基的应力分布进行研究，得到其应力分布云图，同时结合原型与模型的P-s 曲线特征，分析碎石桩复合地基的作用原理，得到以下研究结论。

根据模拟结果，该工程地基承载力特征值为200 kPa，极限荷载为504 kPa。

地基应力主要集中在桩身上部2.0 m 范围内（包括桩身上部附近土体），且向下衰减得很快，致使沉降集中于桩顶，桩端部分少有沉降；碎石桩上部压缩变形量大且产生了侧向膨胀。