水泥土攪拌樁加固堤壩軟土地基有限元模擬研究

錢愛君

(浙江通衢水電建設(shè)有限公司，浙江 衢州 324400)

0 引言

水泥土攪拌樁是加固飽和軟黏土地基的常用方法[1-3]，它的樁體材料主要由水泥和土構(gòu)成。其中水泥最為固化劑，通過水泥與土之間的一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，使含水量高的軟土固結(jié)為具有一定強(qiáng)度、整體性和水穩(wěn)定性的優(yōu)良地基土。對于水泥土攪拌樁的應(yīng)用，前人進(jìn)行了大量的研究[4-6]。前人的研究多集中于施工方法、施工工藝以及現(xiàn)場試驗(yàn)等方面，對水泥土攪拌樁承載機(jī)理方面的研究尚有欠缺。

1 工程概況

云夢灘水庫工程位于豫西山區(qū)，中小二型水庫;主壩樁號為0+000～0+108，大壩壩頂高程為黃海高程125.0 m，大壩壩底高程為115.0 m。工程開工前通過現(xiàn)場地基土平板載荷試驗(yàn)，地基土承載力特征值不滿足設(shè)計要求，需要對地基土進(jìn)行加固處理。本工程采用水泥土攪拌樁處理地基土，一方面提高地基承載力，另一方面起到防滲墻的作用。樁徑0.50 m，樁長10 m，樁間距1.5 m，布樁方式采用等邊三角形布樁，見圖1。

圖1 現(xiàn)場樁位布置圖

2 單樁復(fù)合地基現(xiàn)場載荷試驗(yàn)

待現(xiàn)場地基處理完成且水泥土攪拌樁達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，進(jìn)行現(xiàn)場水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，檢測單樁復(fù)合地基承載力特征值。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)設(shè)備包括一臺200 t 油壓千斤頂、U 形基準(zhǔn)梁、百分表若干、承壓板和反力裝置等。根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)[7](以下簡稱規(guī)范)，承壓板面積為單根樁所承擔(dān)的處理面積，而單根樁所承擔(dān)的處理面積的直徑為1.05 倍的樁間距，則承壓板直徑為1.05×1.5=1.6 m。本次試驗(yàn)的反力由壓重平臺反力裝置提供，包括混凝土塊重物和反力梁。現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備搭建示意圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 荷載施加

水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，隨機(jī)挑選3 根樁進(jìn)行試驗(yàn)，編號分別為試樁1、試樁2、試樁3。試驗(yàn)加載方式采用逐級等量加載，共10 級，最大加載量采用預(yù)估極限承載力，分級荷載采用預(yù)估極限承載力的1/10，其中第一級可取分級荷載的2 倍，具體加載分級為:100 kPa-150 kPa-200 kPa-250 kPa-300 kPa-350 kPa-400kPa-450 kPa-500 kPa-550 kPa-600 kPa-650 kPa-700 kPa。卸載采用逐級等量卸載，每級卸載量為分級荷載的2 倍，終止加載條件和試驗(yàn)注意事項(xiàng)均嚴(yán)格按照規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行。現(xiàn)場加載見圖3。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場靜載試驗(yàn)過程中，記錄試樁在各級荷載作用下的累計沉降量見表1。

表1 試樁荷載-沉降數(shù)據(jù)

繪制各試樁的荷載沉降曲線見圖4，從圖4 中可以看出，剛開始加載時，試樁沉降緩慢增加整體沉降不大。當(dāng)荷載增加至400 kPa 時，沉降量開始迅速增大，出現(xiàn)“陡降段”。“陡降段”起點(diǎn)所對應(yīng)的荷載即為單樁復(fù)合地基的極限承載力，即400 kPa。承載力特征值為樁基極限承載力的0.5 倍，即200 kPa。

圖4 試樁荷載-沉降曲線

3 有限元模擬

利用ABAQUS 有限元分析軟件[8]，建立水泥土攪拌樁單樁及單樁復(fù)合地基有限元模型，通過給模型施加荷載確定單樁及單樁復(fù)合地基的承載力特征值，同時分析樁頂沉降、樁芯軸力、樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律，確定水泥土攪拌樁的承載機(jī)理。

3.1 模型建立

(1)模型尺寸

土體:土體模型設(shè)置為長方體，長、寬均為10 m，高度大于兩倍樁長，具體尺寸為10 m×10 m×20 m。在土體中心位置，需采用切削的方式將樁體的位置挖出，見圖5(a)。

樁芯:根據(jù)現(xiàn)場試樁設(shè)計可知，樁長10 m、樁徑0.5 m，即樁芯為直徑0.5 m、長10 m 的圓柱體，見圖5(b)。

承壓板:根據(jù)規(guī)范，壓板的大小為單根樁所承擔(dān)的處理土的面積，直徑為1.05 倍的樁間距，即承壓板模型為直徑1.05×1.5=1.6 m 的圓板，厚度為0.03 m，見圖5(c)。

圖5 水泥土攪拌樁有限元模型

(2)模型材料參數(shù)

假定土體為彈塑性材料，服從摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，從上至下分為3 層，各層材料屬性見表2。樁體主要由水泥和土組成，壓板為Q345 鋼板，均假定為線彈性材料，材料屬性見表3。

表2 土體模型材料參數(shù)

表3 樁體、壓板模型材料參數(shù)

(3)網(wǎng)格劃分

所有部件均采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類型為C3D8R。對部件布種完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(4)荷載施加

在加載分析步給模型施加5 級荷載，分別為200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa、1000 kPa，將上述荷載以壓強(qiáng)的形式施加在承壓板的上表面。

圖6 地應(yīng)力平衡結(jié)果

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

(1)沉降分析

如圖7 所示，有限元模擬結(jié)果荷載-沉降曲線與現(xiàn)場試驗(yàn)較為接近，證明了模型的合理性。

圖7 試樁模擬荷載-沉降曲線

(2)樁芯軸力

如圖8 所示，在各級荷載作用下，樁芯軸力都表現(xiàn)為樁頂處最大，沿樁深度方向逐漸減小，到樁底位置幾乎減小至0，說明在荷載向下傳遞過程中土體和樁側(cè)摩阻力消耗了大部分荷載。

圖8 樁芯軸力圖

(3)樁-土應(yīng)力分布

樁-土應(yīng)力沿模型對稱軸(從上至下0 m 處、5 m 處、10 m 處)分布曲線見圖9，從圖中可以看出，應(yīng)力分布曲線基本呈左右對稱。距離為5 m 處是樁體所在位置，應(yīng)力最大。且隨著對稱軸深度的增加，樁-土應(yīng)力比逐漸減小。

圖9 樁土應(yīng)力比

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過水泥土攪拌樁現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，得出了單樁復(fù)合地基極限承載力為400 kPa，承載力特征值為200 kPa，且試驗(yàn)所得試樁荷載-沉降曲線與有限元模擬結(jié)果較為吻合。

(2)在各級荷載作用下，樁芯軸力隨著樁芯深度的增加而逐漸減小，到樁底處減至最小接近于0。樁-土豎向應(yīng)力隨著土體深度的增加而均勻增大，在樁頂和樁底處，由于樁側(cè)土體的反向擠壓作用，應(yīng)力有所減小。

(3)通過理論計算， 得出水泥土攪拌樁單樁抗壓承載力特征值為226.7 kPa， 單樁復(fù)合地基承載力特征值為191.4 kPa。則單樁復(fù)合地基的極限承載力為承載力特征值的2 倍，為382.8 kPa，與有限元模擬結(jié)果的400 kPa 較為接近。

(4)采用切線模量法得到了水泥土攪拌樁單樁復(fù)合地基荷載P與沉降量s之間的關(guān)系曲線，與模擬曲線相比，當(dāng)荷載小于計算極限承載力382.8 kPa，二者吻合度較高。