1、第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；中铁十一局集团重点科研课题（）作者简介：袁英奇（），男，河南镇平人，高级工程师，主要从事隧道与地下工程方面的研究。通信作者：李文杰（），男，河南洛阳人，博士，讲师，主要从事桥梁与隧道工程方面的研究。文章编号：（）：深大基坑 桩复合地基承载特性及优化设计袁英奇，李经宇，罗明国，吴 潇，于英霞，李文杰（中铁十一局集团第一工程有限公司，湖北 襄阳；河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳）摘 要：针对洛阳龙门地铁站深大基坑 桩复合地基承载特性及优化设计问题，利用有限元软件 建立 桩复合地基三维模型，分析
2、地基沉降变形、桩身轴力、桩侧摩阻力的变化规律以及桩长、桩间距、褥垫层厚度对地基沉降和桩土应力比的影响，确定 桩复合地基最优设计。结果表明：桩复合地基沉降最大值为 ，较天然地基沉降减小 ；轴力最大值位于桩长 处，与中性点位置一致；确定 桩复合地基最优方案为：桩桩长不小于 且桩端深入持力层 ，纵横桩间距为 ，碎石褥垫层厚度为 。优选方案数值模拟变化规律与现场监测数据和理论计算结果基本一致，可为同类工程的设计施工提供参考。关键词：深大基坑；桩复合地基；承载力；优化设计中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：文献标识码：，（，；，）：，：，：；近年来，我国集社会车辆、公交、地铁、高铁等多种交通工具
3、为一体的综合交通枢纽发展迅速，作为交通建设的基础，地基稳定性和变形控制对保障行车安全、高速行驶至关重要。水泥粉煤灰碎石（，）桩复合地基主要由桩身、桩间土和褥垫层构成，该地基处理方法可以使地基承载力提高、变形减小。桩体利用工业废料粉煤灰作为掺合料，工程造价低且施工速度快，在工程中得到广泛应用。因此，在当前国内环境下对 桩复合地基的承载特性和优化设计问题进行研究具有重要意义和实用价值。目前，对 桩复合地基的研究已取得较多成果。张钦喜等在现行规范计算 复合地基沉降的基础上，提出了一种新的实用简化计算方法，该法可考虑桩侧摩阻力及桩端土的性质，并通过实例进行验证。高广运等利用有限元软件，建立列车轨道路基
4、整体动力分析模型，分析 桩复合路基对地面振动衰减和振动频谱的影响。刘熙媛等利用 软件，通过数值模拟分析考虑渗流作用下 桩基坑内施工对基坑周围地表变形的影响规律，并把计算结果同实际监测数据进行对比分析，确定影响最小的施工方式。孙世国等利用 数值模拟软件对 桩复合地基在沉陷区差异沉降不良地基的应用进行研究，对采用 桩加固前后建筑物和地基土体变形情况进行系统分析。黄强兵等基于有限元数值模拟和正交试验设计，研究地下水位差异和不同地基条件下跨地裂缝带高铁路基动力响应及 桩对地基加固的影响效果。宋桂红等利用 有限差分析软件进行模拟，通过计算 桩桩顶应力扩散厚度与桩体刺入褥垫层的厚度来确定褥垫层最优厚度。李
5、柱雄等利用土工离心模型试验和有限元数值模拟方法，研究既有 桩复合路基在邻近堆载作用下土体和桩体的水平变形规律以及不同加固形式对既有路基水平变形规律的影响。目前，关于 桩复合地基的研究多用于路基加固，对地铁车站深大基坑软弱地基处理的研究较少，且工程地质条件具有高度的差异性和复杂性。因此，对 桩复合地基承载特性及设计参数选取进行研究，有重要的科研和实用价值。本文以洛阳龙门站综合交通枢纽中心北广场工程为依托，采用有限元软件 建立地铁站 桩复合地基有限元模型，分析荷载作用下复合地基沉降变形、桩身轴力、桩侧摩阻力的变化规律以及桩长、桩间距、褥垫层厚度对地基沉降和桩土应力比的影响，确定 桩复合地基最优设计
6、参数，指导后续工程施工。工程概况洛阳龙门站综合交通枢纽中心北广场工程基坑面积约 ，主体及附属结构均采用明挖法施工。地铁轨行区左线起讫里程为 ，右线起讫里程为 。地铁基坑呈狭长带状，采用灌注桩 预应力锚索支护。地铁南侧为地下一层，地铁以及地铁北侧均为地下二层，地铁基坑标准段宽度约为 ，标准段开挖深度约为，基础拟采用天然地基筏板基础，地下空间为框架结构。地铁车站局部施工图见图。根据地勘报告，基坑底部存在粉质黏土夹层，采用天然地基不能满足承载力和地基变形需求，需要进行地基加固处理。常用的地基加固方式有级配砂石换填、素混凝土换填、桩复合地基三种。本工程采用的地基加固方式为：当粉质黏土层厚度不大于 时，
7、须挖除粉质黏土后换填 素混凝土；河南城建学院学报 年 月图 地铁站现场施工图当粉质黏土层厚度大于 时，设置 桩至粉质黏土层下方的卵石层，增强地基承载力并控制沉降。地铁车站采用 桩复合地基进行地基加固处理。复合地基承载力及沉降计算按照相关规范进行。有限元模型建立 参数选取采用 建立 桩复合地基三维模型，土体本构模型选用摩尔库仑模型。地基土层自上而下为：卵石、粉质黏土、卵石、圆砾。主要土层及结构物理力学性能参数见表。模型建立选取地铁站基底土层分布较广的区域为代表，地铁站主体长取，宽；有限元模型尺寸（长 宽 高）为 。桩桩径为 ，纵横桩间距均为 ，褥垫层厚度为 ，砼垫层厚度为 。桩采用一维梁单元及桩
8、界面和桩端单元模拟，设置桩土间界面接触参数。模型顶面为自由边界，侧面及底面施加位移约束。基底荷载主要考虑车站施工阶段荷载，将地铁站主体结构对地基的压力统一为均布荷载，取值 ，分 步加载。桩复合地基有限元模型及测点示意如图 所示。表 主要土层及结构物理力学性能参数土层名称弹性模量泊松比黏聚力内摩擦（）容重（）本构模型卵石 摩尔库仑粉质黏土 摩尔库仑卵石 摩尔库仑圆砾 摩尔库仑 桩 弹性褥垫层 弹性砼垫层 弹性 （）地铁站基底整体有限元模型 （）桩复合地基测点示意图图 地铁站 桩复合地基有限元模型及测点示意图 第 卷第 期 袁英奇，等：深大基坑 桩复合地基承载特性及优化设计 地基沉降及承载特性分析
9、 沉降特性模型沉降云图见图。由图 可知：天然地基和 桩复合地基最大沉降分别为 和 ，桩复合地基沉降减小了 ，说明 桩复合地基形成后，土体由于受桩体施工和碎石垫层变形时挤压而提高承载力；桩由于桩间土挤密增加摩阻力，桩体承载特性得到更好发挥，减少地基沉降。（）天然地基沉降云图 （）桩复合地基沉降云图图 模型沉降云图图 桩顶和桩间土沿 轴方向沉降变化曲线在荷载作用下，桩顶和桩间土沿 轴方向沉降变化曲线如图 所示。由图 可以看出：二者变化趋势基本一致，最大值均位于基底中心线处；桩桩顶沉降在 变化，桩间土沉降变化区间为 。桩间土沉降大于桩顶沉降的原因是桩弹性模量高于桩间土，荷载较大时，桩顶处会出现应力集
10、中现象，砼垫层的存在能够将应力均匀传递给褥垫层，褥垫层使桩土受力模式发生改变，使桩顶向上刺入褥垫层，表现为桩顶沉降小于桩间土沉降。承载特性 桩身轴力 桩桩身轴力沿深度变化曲线见图。由图 可知：复合地基中 桩桩身轴力随深度的增加先增大后减小，在桩长 处轴力达到最大值 。表明沿深度方向刚开始时，桩土发生相对位移，桩间土沉降大于桩体沉降，桩体受负摩阻力影响，使桩身轴力增加；超过一定范围，桩体沉降大于桩间土沉降，桩体受正摩阻力影响，使桩身轴力减小。图 桩身轴力变化曲线 图 桩侧摩阻力变化曲线 河南城建学院学报 年 月 桩侧摩阻力 桩复合地基桩侧摩阻力随深度变化曲线见图。由图 可知：桩桩侧摩阻力先负后正
11、，桩身最大负侧摩阻力为 ，最大正侧摩阻力为 。桩侧摩阻力为零的位置即为中性点位置，约在桩长 处，与桩身轴力最大处基本一致，此时桩土之间相对位移为零。中性点以上，桩间土沉降大于桩体沉降，桩侧摩阻力为负值；中性点以下，随深度增加以及土体变化，桩体沉降大于桩间土沉降，桩侧摩阻力为正值，阻止桩体向下变形。桩复合地基优化设计 桩长的影响为研究不同桩长条件下 桩复合地基变化情况，在不改变其他几何参数下，分别取桩长为、进行数值模拟，得到不同桩长下 桩复合地基沉降和桩土应力比变化曲线，分别如图、图 所示。图 不同桩长下地基沉降变化曲线图 不同桩长下桩土应力比变化曲线由图 可知：复合地基沉降量随桩长增加呈下降趋
12、势。桩长为 时基底中心沉降最大，达到 ；桩长为 时沉降最小，为 。当桩长超过 时，随着桩长增加，沉降减少缓慢，这是由于地基深度 以下为卵石层，当 桩穿过粉质黏土层到达卵石层时，桩端阻力明显变大，此时桩长增加对地基沉降影响不大。由图 可知：桩土应力比随桩长增加而增大，当桩长达到 后，桩端进入卵石层，桩土应力比明显增大。桩长较短时，桩侧摩阻力能很快最大限度发挥，桩身承载力低，桩土荷载分担很快达到相对稳定状态；桩长达到持力层后，桩侧摩阻力不易进入塑性状态，桩身承载性能提高，桩体会承担更多荷载，桩土应力比相应提升。综上所述，桩桩长在 较为合适。桩间距的影响保持模型其他参数不变，仅变化 桩桩间距，分别取
13、、倍桩径，即 、进行数值模拟。不同桩间距下 桩复合地基沉降和桩土应力比变化曲线分别如图、图 所示。图 不同桩间距下地基沉降变化曲线图 不同桩间距下桩土应力比变化曲线 第 卷第 期 袁英奇，等：深大基坑 桩复合地基承载特性及优化设计 由图 可知：地基沉降随桩间距增大而增加，桩间距为 时基底中心沉降达到最大值 ；桩间距增大，差异沉降量也在逐渐增大，桩间距由 增加至 时，沉降由 增加至 ，差异沉降为 ；桩间距由 增加至 时，沉降由 增加至 ，差异沉降达到了 。这是因为桩间距增加，桩间土对桩的挤密作用减弱，桩侧摩阻力减小，桩间土将会承担更多荷载，使复合地基沉降增大。由图 可知：桩间距增加，桩土应力比随
14、之增大。桩间距较小时，每根桩承担荷载小，桩的作用没有得到充分发挥，桩土应力比较小；随着桩间距增加，桩数减少，单根桩承担压力变大，桩土应力比增加。当桩间距达到 后，桩体沉降增加，桩土应力比趋于稳定，桩的作用得到充分发挥。因此，桩桩间距合理取值范围为 。褥垫层厚度的影响在不改变模型其他因素情况下，分别取褥垫层厚度为 、进行数值模拟。不同褥垫层厚度下，桩复合地基沉降和桩土应力比变化曲线分别如图、图 所示。图 不同褥垫层厚度下地基沉降变化曲线图 不同褥垫层厚度下桩土应力比变化曲线 由图、图 可知：随着褥垫层厚度增加，地基沉降和桩土应力比都有所减小。褥垫层厚度为 时沉降最大，达到 ；褥垫层厚度为 时沉降
15、最小，为 。褥垫层厚度超过 后，桩间土承载力得到充分发挥，褥垫层厚度对桩土应力比影响不大，桩土应力比趋于稳定，沉降量趋于平缓，差异沉降小于，褥垫层作用完全发挥。由此可见，褥垫层能够有效调整桩土应力比，使桩和桩间土发挥共同承载作用。因此，选取合适的褥垫层厚度，不仅能够增加复合地基的承载力，也可以起到降低成本的目的。综上所述，桩复合地基褥垫层合理厚度为 左右。桩复合地基最优方案确定通过研究不同桩长、不同桩间距、不同褥垫层厚度 项设计参数对 桩复合地基沉降和桩土应力比的影响规律，确定 桩桩长不小于 且桩端进入持力层深度 。考虑到施工方式及成本控制等因素，桩采用正方形方式布设，纵横间距均为 。褥垫层采
16、用 厚碎石垫层，碎石粒径宜为 ，最大粒径不大于 ，垫层中间铺设一层双向土工格栅，基础与碎石垫层之间设置 厚素混凝土垫层。桩复合地基剖面图及现场施工图见图。（）桩复合地基剖面图 （）桩复合地基现场施工图图 桩复合地基截面设计图及现场施工图 河南城建学院学报 年 月图 桩复合地基沉降模拟值与实测值对比 现场监测结果分析地勘报告中地铁车站地基承载力建议值为 ，经计算得 桩复合地基承载力为 ，最大沉降量为 ，符合要求。在地铁车站基坑底部沿着纵向设置沉降监测点，桩复合地基沉降模拟值与实测值对比结果如图 所示。由图 可知：模拟结果与实测值变化趋势一致，但 沉 降 值 存 在 一 定 误 差，沉 降 偏 差 最 大 为 ，这是因为实际施工过程中复合地基未完全沉降完毕，所以导致实际测量值偏小。通过比较理论计算、数值模拟、实际监测三者的结果，发现模拟结果与实际情况较为吻合，分析结果合理。结论（）沉降最大值出现在地铁车站中心线位置，向两侧延伸沉降逐渐减小。天然地基最大沉降为 ，而 桩复合地基最大沉降为 ，较天然地基减小了 ，桩复合地基可有效控制地基沉降。（）沿深度方向，桩桩身轴力先增大后减小，最大值位于桩
