軟土基坑水泥攪拌樁格柵墻支護(hù)的優(yōu)化

謝粵湘

摘 要：本文通過工程實(shí)例，采用建立有限元模型的方式，通過調(diào)整水泥攪拌樁格柵墻的布置形式，對原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化后的方案進(jìn)行受力計(jì)算和分析，并從結(jié)構(gòu)的合理性和安全性方面對水泥攪拌樁格柵墻的布置形式進(jìn)行對比和分析，可為日后相似工程提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁格柵墻布置形式 軟土基坑支護(hù) 有限元模型 優(yōu)化

1.工程實(shí)例

新建聯(lián)石灣船閘工程主體結(jié)構(gòu)施工由于受到場地的限制，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是占地面積非常小的深層水泥攪拌樁格柵墻。水泥攪拌樁格柵支護(hù)墻寬度為10.2m，繞基坑四周設(shè)置，具體的布置形式為：基坑邊和最外側(cè)布置3排咬合攪拌樁，中間采用格柵狀布置（平行基坑縱軸的樁為2排咬合攪拌樁，垂直基坑縱軸的樁單排攪拌樁）。單根水泥攪拌樁的直徑0.7m，咬合搭接0.2m，樁中心間距0.5m。樁頂標(biāo)高為- 0 . 2 m，樁底標(biāo)高為-19.5m，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于800kPa。

2.參數(shù)選取

2.1土體參數(shù)取值

通過查看工程詳細(xì)勘探資料，新建聯(lián)石灣船閘工程土體建立有限元模型的具體參數(shù)可按表1取值。

2.2水泥攪拌樁參數(shù)取值

相對于軟土而言，水泥攪拌樁可以看作是半剛性樁，本文研究的前提就是把水泥攪拌樁當(dāng)成剛度很大的土體。通過對聯(lián)石灣船閘工程水泥攪拌樁取芯試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)參考書籍《水泥土攪拌法處理地基》（徐至鈞主編），水泥攪拌樁建立有限元模型的具體參數(shù)取值如表2。

3.有限元模型的建立

本文采用Midas-GTS進(jìn)行有限元模型的建立。水泥攪拌樁直徑0.7m，相互咬合搭接0.2m，樁長19.3m。為方便建模，樁間土層分布選用聯(lián)石灣船閘工程具有代表性的土層分布，自上而下分別為： 0～0.6m為粉砂層、0.6～13m為淤泥質(zhì)粘土層，13～20m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層。對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取長12m、寬9.5m（樁中心間距）的水泥攪拌樁格柵墻建立模型。

3.1原方案

基坑邊和最外側(cè)布置3排相互咬合的水泥攪拌樁，中間格柵狀布置的形式為：平行于X軸為相互咬合搭接的雙排水泥攪拌樁，平行于Y軸為單排水泥攪拌樁，建模示意圖如圖2所示。

3.2優(yōu)化方案

基坑邊和最外側(cè)布置3排相互咬合的水泥攪拌樁，中間格柵狀布置的形式為：平行于X軸為單排水泥攪拌樁，平行于Y軸為相互咬合搭接的雙排水泥攪拌樁，建模示意圖如圖3所示。

4.豎向加載受力分析與對比

4.1加載方式

在水泥攪拌樁格柵墻頂面施加100kPa的均布荷載。

4.2應(yīng)力對比

從模型頂面施加100kPa的均布荷載后，兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻在Y軸方向的應(yīng)力圖如圖4所示。

選取兩種方案Y軸方向應(yīng)力圖的局部進(jìn)行比較，如圖5。

從圖5可以看出，原方案Y軸方向上的應(yīng)力值范圍為6.91kPa ～ 100.07kPa，優(yōu)化方案Y軸方向上的應(yīng)力值范圍為11.64kPa～57.81kPa。可明顯發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案的模型受力比原方案模型受力更加均勻，優(yōu)化方案的水泥攪拌樁格柵墻布置形式更為合理。

4.3側(cè)壓力對比

為了更細(xì)致的進(jìn)行對比，沿X方向從兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻有限元模型中選取一單元模型進(jìn)行分析，選取的單元模型如圖6所示。

在兩種方案單元模型頂面施加100kPa的均布荷載，可得出其在Y軸方向上的側(cè)壓力，具體如圖7所示。

在單元模型頂面施加100kPa的均布荷載后，沿著Y軸方向隨機(jī)選取受力點(diǎn)，將側(cè)壓力的大小繪制在圖8上。

分析圖8中的曲線可知，對水泥攪拌樁格柵墻的布置優(yōu)化后（Y軸方向水泥攪拌樁由單排優(yōu)化為雙排咬合），側(cè)壓力的分布在Y軸方向上比原方案更加均勻，增加了水泥攪拌樁格柵墻抵抗側(cè)壓力的能力。因此，可以說優(yōu)化后的水泥攪拌樁格柵墻在結(jié)構(gòu)上更為合理，也更有利于結(jié)構(gòu)的安全。

5.側(cè)向加載受力分析與對比

5.1加載方式

在水泥攪拌樁格柵墻側(cè)面施加100kPa的均布荷載。

5.2應(yīng)力對比

從模型側(cè)面施加100kPa的均布荷載后，兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻在Y軸方向的應(yīng)力圖如圖9所示。

從圖9中不難看出，優(yōu)化方案在Y軸方向上的顏色淺于原方案，因此其Y軸方向上的應(yīng)力分布也比原方案更加均勻，從而避免了過多的應(yīng)力集中，在抵抗側(cè)壓力方面也更加具有優(yōu)勢。

5.3側(cè)壓力對比

為了更細(xì)致的進(jìn)行對比，同樣沿X方向從兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻有限元模型中選取一單元模型進(jìn)行分析，單元模型的選取與豎向加載受力單元模型的選取相同。

施加100kPa的均布荷載在兩種方案模型的側(cè)面，可得出其在Y軸方向上的側(cè)壓力，具體如圖10所示。

在單元模型側(cè)面施加100kPa的均布荷載后，沿著Y軸方向隨機(jī)選取受力點(diǎn)，將側(cè)壓力的大小繪制在圖11上。

從圖11分析可知，優(yōu)化方案模型在受到側(cè)向均布荷載時(shí)，側(cè)壓力分布更加均勻，從而避免了側(cè)壓力的集中分布，在抵抗側(cè)向荷載上更有優(yōu)勢，相對于原方案更為安全。

6.結(jié)論

水泥攪拌樁格柵墻支護(hù)結(jié)構(gòu)是受場地限制的軟弱土質(zhì)基坑常見的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)。本文從新建聯(lián)石灣船閘工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)（水泥攪拌樁格柵墻）的布置形式著手，通過局部優(yōu)化水泥攪拌樁格柵墻的布置形式，從豎向和側(cè)向加載進(jìn)行受力分析和對比，得出優(yōu)化后的水泥攪拌樁格柵墻的受力更加均勻，在抵抗荷載上更有優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)更為合理，也更具有安全性，可為今后相似工程的水泥攪拌樁格柵墻的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐至鈞.水泥土攪拌法處理地基[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]騰飛.水泥土攪拌樁重力式擋墻支護(hù)基坑變形研究[D].長江大學(xué)，2017.

[3]牟春來，劉嫦娥，程淑艷，展巍巍.格柵狀水泥攪拌樁在水電站粉細(xì)砂地基處理中的應(yīng)用[J].水利水電快報(bào)，2015，36（03）：22-25.