水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降設(shè)計參數(shù)數(shù)值分析

吳曉榮 王東棟 水 艷

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 蚌埠 233001 2.淮河流域水資源保護局 蚌埠 233001）

水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降設(shè)計參數(shù)數(shù)值分析

吳曉榮1王東棟1水 艷2

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 蚌埠 233001 2.淮河流域水資源保護局 蚌埠 233001）

本文從水泥土攪拌樁優(yōu)化設(shè)計處理地基的基礎(chǔ)出發(fā)，對水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降進行設(shè)計參數(shù)數(shù)值模擬研究。采用FLAC3D樁結(jié)構(gòu)單元對水泥土樁的變形規(guī)律進行模擬，通過改變樁長、樁徑、置換率和樁體彈模等樁體設(shè)計參數(shù)，分析其對復(fù)合地基變形特性的影響。對影響復(fù)合地基變形的設(shè)計參數(shù)進行敏感性分析，找出主要影響因素，為工程設(shè)計提供指導(dǎo)。

水泥土攪拌樁 優(yōu)化設(shè)計 數(shù)值模擬

水泥土攪拌樁復(fù)合地基是諸多復(fù)合地基中具有代表性的一種，一般具有工期短、污染少、震動小、經(jīng)濟效益顯著等特點，是國內(nèi)外目前進行地基處理的主流技術(shù)之一。本文采用有限差分法FLAC3D進行復(fù)合地基沉降的數(shù)值分析計算，對各種樁體影響因素諸如樁長、樁徑、面積置換率及樁體彈性模量等進行探討，研究復(fù)合地基沉降的變化規(guī)律。

1 工程概況

姜唐湖蓄（行）洪區(qū)位于淮河干流中游正陽關(guān)至臨淮崗洪水控制工程之間。姜唐湖退水閘位于姜唐湖蓄（行）洪區(qū)的末端，退水閘具有擋洪、蓄洪、行洪、退洪以及反向進洪的功能。工程為Ⅱ等大（2）型工程，閘室共16孔，每孔凈寬10m。本工程閘基及岸、翼墻地基持力層強度較低且存在軟弱土層，設(shè)計擬對上下游翼墻地基進行水泥土攪拌樁處理。

2 有限差分法建立模型

三維快速拉格朗日法（FLAC3D）是一種基于顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，可以準確模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。計算選取退水閘工程翼墻②-②斷面為基本建模對象，通過對各種樁體參數(shù)的改變，分析它們對復(fù)合地基沉降的影響，進行參數(shù)敏感性分析。翼墻②－②斷面的計算模型見圖1。

3 復(fù)合地基樁體參數(shù)影響計算

本文擬從樁長、樁徑、樁間距和樁體彈模這4個樁體參數(shù)出發(fā)，分析它們對復(fù)合地基沉降的影響。

3.1 樁長參數(shù)影響

本節(jié)計算參數(shù)選取如下：翼墻基底應(yīng)力70kPa；樁為等邊三角形布置，樁間距1.2m；樁徑0.6m，樁體彈性模量300MPa。計算樁長分別取 8m、9m、9.5m、10m、10.5m、11m和12m時的復(fù)合地基沉降，分析樁長對復(fù)合地基沉降的影響情況。

圖2為復(fù)合地基沉降隨樁長的變化規(guī)律曲線。計算結(jié)果表明：地基沉降隨樁長增加逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。隨著樁長的增加，地基總沉降和下臥層沉降都在減小，而加固層的沉降則隨著樁長的增加而增加，這是由于樁長的增加，使得下臥層的壓縮厚度變小，壓縮深度變大，這樣作用在下臥層上的附加應(yīng)力變小，從而使得下臥層的沉降減小。樁長的增加使加固層的厚度變大，所以加固層的沉降有所增加，但是增加的幅度不大，遠遠小于下臥層的減小幅度，故地基的總沉降量減小。但是曲線的斜率是慢慢減小的，樁長增長到一定程度，復(fù)合地基的應(yīng)力場和位移場的分布逐漸穩(wěn)定，復(fù)合地基的沉降較小，繼續(xù)增加樁長對減小復(fù)合地基整體沉降幾乎不再產(chǎn)生什么效果。

3.2 樁徑參數(shù)影響

樁徑對樁頂沉降的影響可以從圖3看出，隨樁徑的增大，樁頂沉降隨之減小。這是由于樁徑增大時，樁頂荷載不變，樁身的應(yīng)力就相對減小了，這樣樁身壓縮量顯然減小。

3.3 樁間距（置換率）參數(shù)影響

圖1 翼墻②－②斷面的計算模型

圖2 樁長與復(fù)合地基沉降關(guān)系圖

圖4 置換率與復(fù)合地基沉降關(guān)系圖

表1 參數(shù)變化對沉降影響結(jié)果表

圖3 樁徑與樁頂沉降關(guān)系圖

圖5 樁體彈模與復(fù)合地基沉降關(guān)系圖

本文計算了翼墻②-②斷面水泥土樁間距分別為0.86m、0.93m、1.2m、1.4m時，即置換率分別為 24.61%、21.14%、13.11%、10.60%時，復(fù)合地基沉降的變化情況，如圖4所示。

由圖4可見，樁距較大時，上部軟弱土層中的附加應(yīng)力很大，基礎(chǔ)沉降也較大，減小樁距，能夠有效將上部土層中的應(yīng)力向下傳遞，對減小復(fù)合地基整體沉降的效果非常明顯；樁距較小時，復(fù)合地基沉降降低很多，減小樁距，對土中的應(yīng)力分布有一定影響，但比以前明顯減弱，所以復(fù)合地基整體沉降減小不是很明顯；樁距減小到一定程度，樁距變化對土中的應(yīng)力場影響甚小，基礎(chǔ)的沉降較小，并趨于穩(wěn)定，則繼續(xù)減小樁距對減小復(fù)合地基整體沉降幾乎沒有什么效果。

面積置換率不是影響復(fù)合地基沉降的主要因素，增加置換率主要是減小加固層的沉降，對減小下臥層的沉降作用并不明顯。但是大量實測資料和工程實例計算表明，加固層沉降一般很小，通常小于30mm，所占地基總沉降量的比例較小。因此在設(shè)計中，一味的增加置換率來加大加固層的剛度以達到減小沉降的方法是不可取的，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件和建筑的上部荷載大小取一個最優(yōu)的面積置換率。

3.4 樁體彈模參數(shù)影響

圖5為復(fù)合地基沉降隨樁體彈模變化的關(guān)系圖。計算表明：當土體模量一定時，增大樁體模量可減小沉降，當樁體的彈模增加到一定值后，繼續(xù)增加樁體的彈模對復(fù)合地基沉降影響不明顯。提高樁體強度可提高加固層的變形模量，減小加固層沉降，將荷載傳遞到深層土體中。由于實際土層的分布一般隨深度增加，土層的剛度增大，因此被轉(zhuǎn)移到深層的荷載對該處土體變形影響不大，從而有效減小建筑物的總沉降。因此復(fù)合地基的加固一般應(yīng)穿透軟弱土層。

樁體彈性模量增大后地基沉降減小逐漸不明顯的原因是，樁體強度的決定因素是水泥摻入比，靠提高水泥摻入比來減小復(fù)合地基沉降作用不大，況且提高水泥摻入比會直接增加工程造價，因此水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計只需選擇合適的水泥摻入比即可，一般設(shè)計采用的水泥摻入比為13%～18%。

4 參數(shù)敏感性分析

表1反映了參數(shù)變化對復(fù)合地基沉降的影響，從中可以看出，對復(fù)合地基沉降影響的參數(shù)敏感性從高到低的排列為：樁長、樁徑、置換率、樁體彈性模量，其中樁長、樁徑的影響較為顯著。

5 結(jié)語

本文計算以姜唐湖退水閘工程作為研究實例，工程對翼墻的南北兩岸采用水泥土攪拌樁進行地基加固。采用巖土軟件FLAC3D對復(fù)合地基計算參數(shù)進行數(shù)值分析，分析了樁長、樁徑、樁間距和樁體彈性模量這4個樁體參數(shù)的變化對復(fù)合地基的沉降分別產(chǎn)生的影響；并對影響因素進行參數(shù)敏感性分析，為復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)