浅析土体固结对复合地基特性的影响

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1、浅析土体固结对复合地基特性的影响提要：本文通过建立二维固结模型，从宏观上说明，随着时间的推移，土体发生固结作用对刚柔性长短桩复合地基应力分配的影响；并且总结出刚柔性长短桩复合地基设计中应注意的事项。关键词：复合地基、固结分析道路软基处理方法目前有多种，如换填、抛石挤淤、静压堆载、强夯、水泥搅拌桩复合地基等等，随着城市的高速发展，车流量的不断增大，在高等级的路桥软基处理中为了尽可能地减少其工后沉降，并且结合考虑其经济性要求，可以考虑采用一种新型的地基处理方法刚柔性长短桩复合地基，路桥软基处理中通常采用的刚性长桩为CFG桩，柔性短桩为水泥搅拌桩。该种复合地基能在软弱地基中充分

2、发挥土层的承载力作用，并且利用长桩来达到控制沉降的作用，达到一种较为经济可靠的处理效果。目前，许多刚－柔性长短桩复合地基的应力和沉降计算都是从复合地基变形和桩体强度的不利情况去考虑的，并没有把桩周土固结所产生的时间效应考虑在内，所以很容易忽略了刚－柔性长短桩复合地基在日后长期使用中所存在的安全隐患。随着时间的推移，土体发生固结作用，刚－柔性长短桩复合地基中桩体及桩间土的荷载分配将会发生改变，很容易导致事故的发生，本文将对土体固结所产生的时间效应对刚－柔性长短桩复合地基的特性影响规律进行初步探讨。一、固结理论的选取固结就是土体在外部荷载的作用下，内部应力变化引起体积变化，同

3、时有部分孔隙水被挤出的压密过程。固结速率取决于土体排水的速率，并且是时间的函数。土体固结和压缩的规律是相当复杂的。它不仅取决于土的类别和状态，也因土的边界条件、排水条件和受荷方式等因素变化而异。目前常用的固结理论主要有Terzaghi固结理论和Biot固结理论，由于Biot固结理论是用有效应力原理进行固结分析，其方程既满足材料的应力应变关系和平衡条件，又满足变形协调条件与水流连续方程，且Biot理论是三向固结的精确表达式，故Biot固结理论在有限元分析中得到越来越广泛的应用。同Terzaghi固结方程假定一样，Biot固结方程建立在如下假定基础上：①土体饱和，土骨架为线弹

4、性体；②小变形问题；③固体颗粒和孔隙水不可压缩；④孔隙水相对固体骨架的渗流服从达西定律，其惯性力可不计。二、建立二维固结模型为了便于计算，把模型简化为二维计算模型，各土层特性如图1所示。上部作用120kPa的均布荷载，刚性桩为CFG桩，柔性桩为水泥土搅拌桩，不考虑刚性桩的渗透性，考虑柔性桩的渗透性。（注意：①土层为淤泥质土，E=2.74MPa,k=410-7cm/s，C=7kPa；②土层为砂性粘土，E=6.5MPa,k=5.210-4cm/s，C=20kPa；③土层为强风化岩层，E=50MPa，k＝310-3cm/s。）图1固结模型计算参数三、计算结果分析图2分别为各不同

5、时间点刚－柔性桩及其桩间土的应力分配图。（a）加载期间（b）加载完成稳定期（c）土体固结期图2各不同时间点刚－柔性桩及其桩间土的应力分配图从图（a）中得知，在刚－柔性长短桩复合地基加载过程中，首先由刚性长桩受力，随着荷载的进一步增大，刚性桩刺入褥垫层，通过褥垫层的协调分配作用，柔性桩及桩间土开始参与作用。随着荷载的施加完毕，刚－柔性长短桩复合地基充分体现了其受力作用体系的优越性。从图（b）可以看出该种复合地基由刚性长桩承受主要荷载及控制沉降，但同时也通过柔性桩及桩间土参与部分承载作用，充分利用了桩间土的承载能力，降低了工程成本。随着时间的推移，桩间土开始发生固结作用，对刚

6、－柔性长短桩复合地基桩土之间的应力分配影响尤为严重。从图（c）中可以看出，随着桩间土的固结，柔性桩及桩间土的应力逐渐减少，刚性长桩桩顶应力不断集中。因为土体的固结会引起自身的沉降，固结沉降必然导致桩间土承受的荷载减少，从而使天然地基所承担的荷载卸载平衡于刚性桩，最终导致刚性长桩桩顶应力集中。假如刚性长桩桩底坐落于较为坚硬的岩层上，随着刚性桩桩身应力的增加，刚性桩无法通过刺入下卧层来实现卸载（把部分荷载重新分担到柔性桩和桩间土上），只能往上刺入褥垫层，导致桩顶应力进一步集中，当应力集中到一定程度时，可能对承台产生冲切变形破坏，从而导致整个复合地基破坏。四、结束语从上述分析结

7、果可以得出，地基处理方法采用刚－柔性长短桩复合地基时，确保刚－柔性桩及桩间土之间应力的合理分配尤为重要。所以，当进行刚－柔性长短桩复合地基设计时，应当注意一下事项：（1）施工场地范围内不能出现长期人工降水地区。地基处理现场附近如长期出现大量人工降水地区，如长期开挖大型基坑的开挖降水，地基土会出现固结沉降，容易导致土体和桥台结构层脱空，达不到桩土共同作用的目的。此种情况下，应慎用刚－柔性长短桩复合地基。（2）地基土应当处于固结稳定状态。一旦地基土处于欠固结状态，随着荷载的作用和时间推移，土体会发生固结沉降，此时很容易导致地基土与