海南某机场桩网复合地基沉降特性研究

 易光伟

 （上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司  广州  510405）

摘要  以海南某机场桩网复合地基为例，在分析桩网复合地基作用机理的基础上，对其沉降规律进行研究，得出以下结论：桩网复合地基对总沉降量的控制能力较好，最大沉降量为176 mm,远小于采用其他软土地基处理方法（如排水固结法）的沉降量；其沉降曲线符合一般地基的沉降规律；某位置的总沉降量与在桩网复合地基中的位置和软土分布区的位置有一定关系。用复合模量法对刚性桩网复合地基沉降量的计算结果相比实测偏大。

关键词  桩网复合地基  沉降特性沉降计算

 减小沉降及不均匀沉降一直都是软土地区工程建设所关注的核心问题之一，如何尽可能减小工后沉降则是软土沉降问题的重中之重。软土沉降计算一般采用分层总和法，并通过考虑固结度来估算工后沉降。崔连莲以疏桩基础理论出发，提出了疏桩极限法来计算复合地基沉降量；赵明华等提出了考虑碎石桩排水的桩网复合地基沉降计算方法；孙琦等通过现场监测与数值模拟得出了CFG桩网复合地基的沉降规律；曹光栩等提出了一种考虑施工加载的沉降计算简化方法，并与室内试验对比，得出了粗粒料填方的长期蠕变规律；鲍树峰等研究了刚性长桩和柔性短桩组合复合地基的沉降规律；詹建华等以深圳某机场为实例，分析了该桩网复合地基的沉降规律。

 桩网复合地基沉降理论的研究中，综合考虑桩的刚度、网的刚度的研究已有很多，相关的计算方法也有很多；大面积填土荷载下考虑软土分布形式对桩网复合地基沉降特性的研究则比较少见。

 本文以海南某机场桩网复合地基为例，在桩网复合地基作用机理的基础上，分析了桩网复合地基沉降差异，得出了软土分布形式对桩网复合地基沉降的影响规律，为相关地基处理设计、施工提供参考。

1桩网复合地基作用机理

 桩网复合地基中的桩与网构成了竖向增强体与水平向增强体共同受力的复合结构。路堤、路面结构层的重力与路面荷载通过路堤将竖直荷载传递给加筋土垫层，加筋土受力被压缩，再将力传递给桩与桩间土；由于桩与桩间土的刚度差异极大，将产生“凹陷”变形；变形的不同，决定了桩与桩间土的受力形式不同。

1.1变形规律

1.1.1局部变形规律

网是一种柔性物质，与桩间土一起起着“托底”的作用；垫层是一种散体物质，自身的结构性较差，在上覆荷载作用下，若没有网的束缚，将会被桩端“刺穿”，在桩间距较大时，这种效应变得更加显著。因此，为防止网的破坏，桩间距不宜过大。桩间距一定时，正方形布桩的4桩中心的沉降是最大的，在各个方向均呈“凹陷”沉降形态，见图1。

 王富江的研究表明，加筋垫层的整体性良好，土工格栅网在面积置换率不变的情况下提高了桩土应力比，降低了桩一土沉降差，并限制了桩头附近土压缩区的范围与高度，降低了复合地基对路床的影响，提高了路堤的稳定性。

 道路对不均匀沉降比较敏感，桩网复合地基的桩端持力层一般为较好土层或岩层，同时按端承桩或摩擦端承桩考虑；受填土荷载大小、软土与下卧层物理力学性质差异的影响，桩顶与桩底的压缩区范围、高度分布比较复杂。端承桩的主要荷载由桩身传往下端持力层，在沉桩前后桩底压缩区的分布范围较大，高度较高；道路建成以后，应力重分配，桩端压缩区范围缩小，桩端附近软土压缩区高度降低。

 沉桩时桩对原地基土有挤密作用，在竖向荷载作用下，土体也会发生一定侧向变形。桩间土的侧向位移受填土高度、桩土应力比的影响较大。填土高度越高、桩土应力比越小，桩的侧向位移就越大；软土的固结需要较长时间，桩间土受力压缩，随着时间的增长，压缩模量增大，侧向变形也就随之增大。随着深度的增加，受填土荷载的影响越来越小，侧向变形也逐渐减小。

1.1.2整体变形规律

桩的刚度较大，桩间土、加筋垫层的刚度均较小，因此桩网复合地基可以看做是一种类弹性地基上的完全柔性基础。在这种情况下，其桩顶、桩底的沉降变形曲线见图2。由于桩将大部分上部荷载传递给下卧层，桩间土受力较小，应力扩散同时受桩的影响，机制复杂。加筋垫层受上部填土荷载作用，加固区中心的沉降最大，边缘最小；同时由于加筋垫层整体性起到了荷载重分配的作用，因此这种差异沉降不大，文献[7]的研究表明这种差异沉降仅为加固区中心沉降量的21%。同时由于加固区受压的侧向变形会对非加固区有侧向应力，复合地基边缘常有一定的地表隆起。桩底下卧层为较硬土层，与桩顶土体整体沉降形态类似。

1.2力学机理

桩网复合地基的主要力学表现为土拱效应和力膜效应，见图3。张栋棵给出了土中应力轨迹，见图4。土工格栅的拉力则较为复杂，现行规范只给出了保守的计算方法。

 桩身侧摩阻力大致与桩间土体变形范围一致，不同的是桩身上部受负摩阻力，而下部为正摩阻力。

2桩网复合地基设计

2.1工程概况

 海南某机场地处海南省中南部，剥蚀残丘、河流一、二级阶地地貌，场区分布有素填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土，岩层为砂岩。素填土均匀性差、工程性质差，广泛分布于全场区；局部粉质粘土、全部淤泥质粉质粘土，均匀性差、工程性质差，为软土，分布于场区低洼处；局部粉质粘土为弱膨胀土，除此之外，均匀性一般、工程性质良好，广泛分布于全场区；砂岩揭露的为强～中风化砂岩，工程性质良好，广泛分布于全场区。

2.2设计原则

飞行区道槽区以道肩边线两侧外扩5m为边界；按《民用机场岩土工程设计规范》要求，道槽区工后沉降量以20 cm（20年）、工后差异以0.15%控制；土石方填筑后应有一定的自然密实周期，一般应不少于1个雨季。实际工程中，在施工期间和工后进行沉降和变形监测，通过沉降预测来确定预留沉降期。道床最小强度、土基顶面最小反应模量见表1，2，土石方填筑按相关规范施行。

 最终沉降量计算采用《建筑地基处理技术规范》中的复合模量法计算，工后沉降按饱和土体一维固结理论（太沙基固结理论）计算。沉降计算时，大面积填土荷载应力不扩散。

2.3方案设计

 换填法工艺简单、成本较低，道槽区中厚度较小的软土分布区采用换填法处理，换填平均厚度暂按2.5 m估算，实际施工时应全部清除。

 装网复合地基在处理深厚软土地基具有较大优势：不需长时间预压，施工速度较快，能大大降低工后沉降，处理效果可靠，在工期紧迫、深厚软土的道路路基地基处理中应优先选择这种方法。文献[7]认为在软土处理厚度在12～15 m时，2m的桩间距能较好发挥桩的作用并降低群桩效应；正方形布桩受力更均匀，并能更好地与路基边缘相适应，具体设计参数如下。

 (1)桩型采用PHC-A400 - 95型预应力管桩，正方形布置，桩间距2.0 m，桩长以穿过淤泥质土层底并进入强风化岩层1.0～1.5 m，采用静压法或锤击法沉桩。

 (2)桩顶设置正方形混凝土桩帽，边长为0.8m，高度为0.4 m，桩头进入桩帽0.1 m，桩帽顶面布置cp8 @100钢筋网，保护层厚度50 mm，钢筋采用HRB335，混凝土标号不小于C30。

 (3)复合地基顶层设置0.4 m厚度加筋土褥垫层，土体材料选用级配良好的碎石或砂砾，粒径不大于10 cm，含泥量不大于6%，采用静力压实法压实，压实后垫层的固体体积率不小于82%。

 (4)褥垫层加筋采用双向经编土工格栅，距离褥垫层顶、底面10 cm处各布置1层，所用材料可为涤纶、腈纶或锦纶长丝等，不得采用聚乙烯或聚丙烯材料，纵、横向5%延伸率下的抗拉强度不低于60 kN／m，最大延伸率不大于10%，格栅孑L眼尺寸不大于25 mm。

3沉降特性分析

3.1  桩网复合地基区沉降监测

在地基处理之后于加筋垫层底端4桩中心安装沉降板，待沉降相对稳定后方开始填方施工。剔除异常数据并取最后4次观测值的均值，绘得地基处理B区沉降等值线图见图5。

3.2桩网复合地基区沉降特性

 桩网复合地基中的桩采用了PHC管桩，为刚性桩。为了防止对土工栅格的破坏，垫层施工时不能用冲击碾压方式进行夯实，每层填土量较小，填土速率较慢，故初期沉降速率较慢；受施工影响，每个观测点的沉降步调大体一致，但数据呈现出一定波动。

 进行大规模填方施工后，填筑速率较快，地基沉降受填方荷载影响显著，复合地基沉降速率明显增大。土方施工后期，沉降趋于稳定，但仍在不断发展；最后30 d的观测表明，尽管道面结构层在施工，但由于下方填土已经较厚，对复合地基的影响不大，沉降趋于稳定。

 整个填方施工至工后观测期间，地基沉降曲线呈现明显的S形，符合一般地基沉降生长曲线规律。

 图5显示，大面积填方荷载下桩网复合地基的总沉降量和软土分布有一定关系：复合地基中心部位的沉降稍大，软土分布区中心部位的沉降稍大，契合桩网复合地基整体沉降规律。

 同时采用了《建筑地基处理技术规范》复合模量法计算，但沉降量与按监测数据预测的沉降量相比偏大，证明复合模量法对刚性桩网复合地基的沉降计算需要修正。

4结论

 (1)桩网复合地基对总沉降量的控制能力较好，最大沉降量为176 mm，远小于采用其他软土地基处理方法（如排水固结法）的沉降量。

 (2)海南机场的沉降曲线符合一般地基的沉降规律。

 (3)位置的总沉降量与在桩网复合地基中的位置和软土分布区的位置有一定关系，为地基处理设计提供参考。

 (4)复合模量法对刚性桩网复合地基沉降量计算相比实测偏大。