基于沉管擠密法的濕陷性黃土地基加固效果分析

何子苗 薛 鵬 李松徽

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730072)

0 引言

隨著大批建筑從低層或多層向中高層建筑發展，由黃土地基濕陷量過大而引發的工程問題也引發了社會廣泛的關注，我們國家對于黃土地基處理在國內外都處于領先的水平，但依舊有許多工程事故的發生是由于黃土地基處理不夠完善所引起的。特別是對怎樣更好的處理大厚度自重濕陷性黃土，仍存在著諸多問題等待更好的解決[1]。劉忠良[2]等人用素土擠密樁處理南水北調工程中的某黃土濕陷性地基，并將其與其他的濕陷性處理方案進行了一系列對比，發現素土擠密樁的經濟性好，工期較短，而且對環境影響較少；王引平[3]對自重濕陷性黃土地基的處理則是結合了擠密樁法、強夯法、墊層法，試驗結果表示運用多種處理方式同時處理，可以相對完善地解決黃土地基濕陷問題；何永強[4]基于圓孔擴張理論對擠密樁復合地基進行了數值模擬，分析了樁間土體的應力在成樁的過程中的變化機制，同時結合工程實際，探討了素土擠密樁、灰土擠密樁、生石灰擠密樁復合地基的樁間擠密強度和整體復合地基的承載能力。

沉管擠密法被大量運用到濕陷性黃土地基加固處理中，是由于它具有裝備簡易、施工快速、承載能力高等特點。結合現場實際工程，采用MIDAS/GTS軟件進行有限元模擬，對經沉管擠密法加固處理后的地基沉降量以及樁體位移進行對比分析，進而探討在沉管擠密樁處理技術下，不同的樁間距所引起的復合地基加固效應。

1 項目依托工程

以蘭州某大厚度回填黃土場地為研究對象，場地總面積為45 928.67 m2，地覆蓋層厚度為46.0 m～49.0 m，場地類別為Ⅱ類，地下水埋偏深，且地下水位相對穩定，埋深分布34.00 m～46.1 m，對應的水位標高1 870.758 m～1 887.791 m，地下水隨季節變化，枯水和豐水季節之間變化幅度在1 m～2 m之間。建筑用地濕陷等級判定為Ⅳ級，有分布不均勻的濕陷性填土、較大厚度的濕陷性黃土狀粉土，極有可能發生嚴重的濕陷下沉。使用沉管擠密樁法對地基進行加固，可降低地基的濕陷性沉降，消除一定厚度的黃土濕陷性，提高復合地基的承載能力。

2 數值模擬模型

2.1 計算模型

采用有限元軟件MIDAS/GTS對處理的復合地基進行數值模擬，從樁頂沉降量、樁身位移、地基周邊沉降與受力情況和樁體應力等方面深入研究不同樁間距對沉管擠密樁的受力和沉降量得影響。對于土體的模擬分析，考慮到土體的彈塑性、非線性和流變性等性質，土體本構模型選擇非線性材料的Mohr-Coulomb模型。采用的樁型是素土擠密樁，填土采用了增濕的素土作為樁體材料，分層壓實，它的強度相對擠密后的土體來說要強很多，故而在土體破壞前不會發生破壞，所以對狀體的模擬分析選用線性材料的彈性模型，見圖1。

2.2 模型參數選擇

內摩擦角以及粘聚力可依據王林浩的內摩擦角和粘聚力隨含水率和干密度變化的線性趨勢方程來進行估算。飽和重度由式(1)確定：

(1)

其中，e為空隙比；rs為土體浮重度；rw為水的重度。膨脹角取0.1°，土體的泊松比為 0.30，樁體材料的泊松比為 0.25。根據現場試驗的測量結果，其他土體參數見表1。

表1 原始地基模型的參數

沉管擠密樁復合地基模型擬定大小為(12×15×20) m3的矩形區域，模型樁的參數選用壓縮模量：35 MPa、含水率：17.65%、重度：17.6 kN/m3、孔隙比：0.79、飽和度：62.28。加載板為半徑0.5 m的鋼板，彈性模量為2.1×108kN/m2，重度為78.9 kN/m3。

3 計算結果及分析

3.1 復合基地承載力模擬

選取與實驗相對應的參數，樁徑取0.9 m、樁間距S取1.1 m，樁長選取18 m來對沉管擠密樁模擬計算，根據現場試驗對Φ=1 155 mm的加載板在中樁樁心上進行分級加載，加載值與試驗區加載值相同。通過模擬運算得到其圖2的沉降曲線。從圖2中觀察到，當加載值為53 kN，131 kN,210 kN時，其對應的沉降量分別為2.30 mm，6.04 mm，10.89 mm，該曲線能與試驗區的樁身沉降量曲線對應，驗證了模型及參數的可行性。

3.2 不同樁間距對沉管擠密樁的影響

為了進一步計算不同樁間距的沉管擠密樁的受力和沉降情況，取樁徑為0.9 m、樁間距S分別為0.9 m,1.1 m,1.3 m，加載板直徑為1.05S來模擬對改變樁間距對沉管擠密樁承載能力、周邊位移和樁身應力應變的影響。

通過模擬得出，當外加荷載為210 kN時，樁間距S=0.9 m時，其沉降量為9.60 mm；當S=1.1 m時，沉降量為10.89 mm；當S=1.3 m時，沉降量為12.29 mm(見圖3)。沉降量均隨加載值增大而增加，且樁間距越大其變化趨勢越趨近于線性增大。并且隨著樁間距的變大，承壓樁的最大沉降量不斷增大，增加的幅值亦隨樁間距的增大同步增大。

圖4，圖5分別給出了距離承壓樁不同距離的場點的沉降量變化情況。Y方向代表試驗區擠密樁的橫排方向，X方向與之位于同一水平面且垂直?？梢钥闯?，隨著場地位置遠離受力樁，場點沉降隨距離呈指數關系衰減，在3 m距離處，210 kN荷載對應的X方向、Y方向的沉降分別為0.9 mm，1 mm，約為受力樁沉降的8%，9%。此后，隨水平方向距離增加，場點沉降基本趨于穩定。也就是說，沉管擠密樁的影響范圍最大為3倍樁間距。在承壓樁位置處，大間距的擠密樁具有較大的位移沉降，小間距的擠密樁位移沉降則較小。

由圖6我們可以得到不同荷載作用下的樁身位移，在同一荷載作用下，隨樁間距的增加，樁身相對位移越小，在樁頂處有每一級荷載引起的最大位移，在樁的下部位移逐漸減小并趨于穩定。樁身深度小于2 m時，沉降量隨樁身深度變化的變化速率極大，且樁間距越小其變化速率越大。并且從圖7中也可以看出，承壓樁主要承載區域為樁身9 m范圍內,隨著荷載的增大，壓強衰減的越快。由此可見，對沉管擠密樁，樁身的上半部分主要承擔了復合地基的荷載及剛度變化作用。

4 結語

1)樁身沉降量均隨加載值增大而增大，且樁間距越大其沉降量變化趨勢越趨近于線性增大。隨著樁間距增加，承壓樁的最大沉降量不斷增大；增加幅值隨樁間距的增大而增大。

2)外加荷載作用下，樁體位移均呈指數關系衰減，樁體的上半部分位移值較大。復合地基的荷載及剛度變化作用主要由樁身的上半部分1/3區域承擔。

3)大間距的擠密樁具有較大的位移沉降，小間距的擠密樁位移沉降則較小。且隨著場地位置遠離受力樁，場點沉降隨距離呈指數關系衰減，場點沉降后期基本趨于穩定。從而發現，沉管擠密樁的有效作用范圍是3倍樁間距。