水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值分析

吳曉榮 王東棟 歐 勇

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值分析

吳曉榮 王東棟 歐 勇

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

本文從水泥土攪拌樁優(yōu)化設(shè)計(jì)處理地基的基礎(chǔ)出發(fā)，對(duì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基的承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值模擬研究。采用FLAC3D樁結(jié)構(gòu)單元對(duì)水泥土樁的承載特性進(jìn)行模擬，通過(guò)改變樁長(zhǎng)、樁徑、置換率和樁體彈模等樁體設(shè)計(jì)參數(shù)，分析其對(duì)復(fù)合地基承載力的影響。對(duì)影響復(fù)合地基承載力的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，找出主要影響因素，為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

水泥土攪拌樁 優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(dòng)小、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外目前進(jìn)行地基處理的主流技術(shù)之一。本文采用有限差分法FLAC3D進(jìn)行復(fù)合地基承載力的數(shù)值分析計(jì)算，對(duì)各種樁體影響因素諸如樁長(zhǎng)、樁徑、面積置換率及樁體彈性模量等進(jìn)行探討，研究復(fù)合地基承載力的變化規(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(yáng)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(jìn)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(qiáng)度較低且存在軟弱土層，設(shè)計(jì)擬對(duì)上下游翼墻地基進(jìn)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，它可以準(zhǔn)確模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。計(jì)算選取退水閘工程翼墻②-②斷面為基本建模對(duì)象，通過(guò)對(duì)各種樁體參數(shù)的改變，分析它們對(duì)復(fù)合地基承載力的影響，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。翼墻②－②斷面的計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

3 復(fù)合地基樁體參數(shù)影響分析

本文擬從樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距和樁體彈模這4個(gè)樁體參數(shù)出發(fā)，分析它們對(duì)復(fù)合地基承載力的影響。

3.1樁長(zhǎng)參數(shù)影響

計(jì)算參數(shù)選取如下：翼墻基底應(yīng)力70kPa；樁為等三角形布置，樁間距1.2m；樁徑0.6m，樁體彈性模量300MPa。計(jì)算樁長(zhǎng)分別取8m、9m、9.5m、10m、10.5m、11m和12m時(shí)的樁土應(yīng)力比，分析樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基承載力的影響情況。

圖2為不同樁長(zhǎng)與樁土應(yīng)力比之間的關(guān)系，可以看出樁土應(yīng)力比隨樁長(zhǎng)有明顯變化。主要原因是樁間土的應(yīng)力發(fā)生較大的變化，而樁的應(yīng)力基本不隨樁長(zhǎng)變化而變化，即樁長(zhǎng)影響著樁間土的承載力的發(fā)揮。計(jì)算結(jié)果表明：樁土應(yīng)力比隨樁長(zhǎng)增加先增大后減小，并趨于穩(wěn)定。這就意味著樁徑一定時(shí)，當(dāng)樁長(zhǎng)較短，樁體的樁端阻力發(fā)揮不大，主要由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)外荷載，隨著樁長(zhǎng)的增加，荷載向樁體集中，樁土應(yīng)力比呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)樁長(zhǎng)逐漸增大，樁體落在地基持力層上后，樁端阻力開(kāi)始發(fā)揮作用，樁體的強(qiáng)度逐漸達(dá)到極限，荷載開(kāi)始向樁周土體轉(zhuǎn)移，樁土應(yīng)力比減小；當(dāng)樁長(zhǎng)繼續(xù)增加超過(guò)一定的值后，土體也將達(dá)到破壞狀態(tài)，增加樁長(zhǎng)，樁土分擔(dān)的荷載比例并不改變，曲線(xiàn)趨于穩(wěn)定。可見(jiàn)在樁長(zhǎng)超過(guò)一定值后，增加樁長(zhǎng)對(duì)顯著提高樁體應(yīng)力影響不大，即存在一臨界樁長(zhǎng)，樁長(zhǎng)超過(guò)該值時(shí)，增加樁長(zhǎng)對(duì)提高復(fù)合地基承載力沒(méi)有太大意義。

3.2樁徑參數(shù)影響

由圖3樁徑與樁土應(yīng)力比關(guān)系圖可以看出，樁土應(yīng)力比隨著樁徑的增大而迅速減小。這是因?yàn)闃稄皆龃螅瑯扼w受力面積增大，樁身所受荷載應(yīng)力則減小，而樁徑變化對(duì)樁周土體的應(yīng)力影響卻不大。

3.3樁間距（置換率）參數(shù)影響

面積置換率在數(shù)值上等于樁的橫截面積和一根樁所承擔(dān)處理的地基的橫截面積之比。改變面積置換率，會(huì)相應(yīng)改變復(fù)合地基的復(fù)合模量和復(fù)合泊松比的值。因此，取不同的面積置換率進(jìn)行分析，實(shí)際上是分析不同復(fù)合模量、泊松比時(shí)復(fù)合地基的特性。

本文計(jì)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(shí)，即置換率分別為 24.61%、21.14%、13.11%、10.60%時(shí)，復(fù)合地基承載力的變化情況，如圖4所示。

從圖4中可以看出，置換率對(duì)復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比影響很大，當(dāng)樁間距為1.34m時(shí)，樁土應(yīng)力比達(dá)6.27，隨著置換率的增加，樁土應(yīng)力比迅速降低。樁土置換率越大，單樁極限承載強(qiáng)度越小，或地基極限承載強(qiáng)度越大，則樁土應(yīng)力比越小。由此可知，在低置換率時(shí)，水泥土樁所承受的荷載比率較大，充分發(fā)揮了樁體的承載力，因此復(fù)合地基破壞常表現(xiàn)為樁體先破壞；當(dāng)置換率增大時(shí)，土承受荷載的荷載比率也有所提高，此時(shí)表現(xiàn)為土體的破壞，水泥土樁的承載能力未能充分發(fā)揮，顯然不是很經(jīng)濟(jì)。為充分發(fā)揮樁和土的承載性能，在設(shè)計(jì)水泥土攪拌樁樁徑時(shí)，應(yīng)考慮選取一個(gè)較為合適的置換率，建議取10%～30%，這樣比較經(jīng)濟(jì)適用。

3.4樁體彈模參數(shù)影響

對(duì)于不同的樁體材料，其樁體的強(qiáng)度是不同的。如水泥土樁的彈性模量范圍為50～500MPa，而CFG樁和素混凝土樁可以達(dá)到25000MPa。下面通過(guò)計(jì)算對(duì)樁體的彈性模量的變化對(duì)復(fù)合地基產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

圖1 翼墻②－②斷面的計(jì)算模型

圖2 樁長(zhǎng)與樁土應(yīng)力比關(guān)系圖

圖3 樁徑與樁土應(yīng)力比關(guān)系圖

圖4 置換率與樁土應(yīng)力比關(guān)系圖

圖5 樁體彈模與樁土應(yīng)力比關(guān)系圖

圖5為樁土應(yīng)力比隨樁體彈模的變化的計(jì)算結(jié)果：隨著樁體的彈模的增大，樁土應(yīng)力比相應(yīng)增加，但增長(zhǎng)率卻在下降。在土體模量一定時(shí)，增加樁體彈模，樁土模量比越大，則樁相對(duì)越硬，樁對(duì)于地基土的置換作用越明顯，樁頂應(yīng)力集中越顯著，應(yīng)力比有所增加，但隨樁模量進(jìn)一步增大，應(yīng)力比增加緩慢。在一定范圍內(nèi)，樁體剛度對(duì)樁土應(yīng)力比

影響較大，是影響復(fù)合地基承載特性的重要因素；但樁體剛度過(guò)大時(shí)，樁體表現(xiàn)出剛性樁基礎(chǔ)的承載特性，此時(shí)，即使樁的剛度再增加，樁土應(yīng)力比的增長(zhǎng)率很小。

表1 參數(shù)變化對(duì)樁土應(yīng)力比影響結(jié)果表

4 參數(shù)敏感性分析

在進(jìn)行參數(shù)敏感性分析時(shí)，為便于比較，假定研究范圍內(nèi)的土層和樁體材料都是均勻的，單一參數(shù)變化時(shí)其他參數(shù)保持不變，改變樁長(zhǎng)、樁徑、置換率及樁體彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

表1反映了樁體參數(shù)變化對(duì)樁土應(yīng)力比的影響，從中可以看出，對(duì)復(fù)合地基承載力影響的參數(shù)敏感性從高到低的排列為：樁徑、樁體彈性模量、樁長(zhǎng)、置換率，其中樁徑、樁體彈性模量的影響最為顯著，樁長(zhǎng)、置換率的影響較為顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

本文計(jì)算以姜唐湖退水閘工程作為研究實(shí)例，工程對(duì)翼墻的南北兩岸采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基加固。采用巖土軟件FLAC3D對(duì)復(fù)合地基計(jì)算參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，分析了樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距和樁體彈性模量這4個(gè)樁體參數(shù)的變化對(duì)復(fù)合地基的承載力分別產(chǎn)生的影響；并對(duì)影響因素進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，為復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)■