軟土地基水泥土擠密樁單樁承載特性及復合地基荷載傳遞規律研究

2024-12-31 00:00:00吳惠杰

西部交通科技 2024年7期

摘要：針對水泥土擠密樁的承載特性以及變形沉降問題，文章以廣西某軟土地基施工項目為研究背景，在現場監測試驗結果的基礎上，通過有限元數值仿真分析方法，研究了樁周土體的含水率、干密度以及樁長、樁徑等因素對水泥土擠密樁單樁承載特性的影響。同時，在明晰單樁承載特性的基礎上，為進一步指導現場施工，建立了復合地基模型，揭示樁-土界面含水率以及干密度對荷載傳遞機制的影響。研究成果可為相似的地基工程提供參考。

關鍵詞：地基承載力；數值仿真分析；單樁承載力；復合地基

中圖分類號：U416.10

引言

軟土地基在城市建設和基礎設施工程中廣泛存在，由于其自身受力性能較差，受荷易產生大變形，導致其在承載特性和穩定性方面面臨一系列的挑戰［1-2］。為了提高軟土地基的承載能力和改善地基的穩定性，各種地基改良技術被廣泛研究和應用［3-4］。在這些技術中，水泥土擠密樁作為一種有效的地基處理手段，已經在實際工程中得到了廣泛應用［5］。水泥土擠密樁主要通過在軟土地基中擠入水泥土漿，形成密實的樁體，以提高地基的承載能力和穩定性。

大量學者對水泥土擠密樁加固地基進行了研究，主要集中在樁的設計與施工、樁體的力學性質、樁-土相互作用機制、樁的長期行為、復合地基的應用等方面。單澤濤等［6-8］主要關注水泥土擠密樁的力學性質，包括樁體的承載力、變形特性、剛度等，并通過室內試驗和現場監測，研究了樁體在不同工況下的力學響應。司翔等［9-10］對水泥土擠密樁與樁周土體的相互作用進行了深入研究，包括樁與土體的側向土壓力分布、土體的固結效應以及樁與土體之間的摩擦力等。綜上所述，在水泥土擠密樁的研究方面已經積累了大量的理論和實踐經驗，水泥土擠密樁的加固效果主要靠樁的側摩擦阻力發揮效用，并且復合地基的荷載傳遞機制受土體干密度、含水率、樁長、樁徑以及褥墊層等因素的影響。然而，針對上述影響因素對水泥土擠密樁的荷載傳遞機制的系統研究鮮有報道。

因此，本文以廣西某地基施工項目為研究背景，在現場監測試驗結果的基礎上，通過有限元數值仿真分析方法，系統研究了樁周土體的含水率、干密度以及樁長、樁徑等因素對水泥土擠密樁單樁承載特性的影響。在明晰單樁承載特性的基礎上，為進一步指導現場施工，建立了復合地基模型，揭示樁-土界面含水率以及干密度對荷載傳遞機制的影響。研究成果可為相似的地基工程提供參考。

1"水泥土擠密樁單樁現場試驗

1.1"現場試驗工點

擬建場地位于廣西某工點處。場地主要由粉質黏土填料與粉砂質泥巖破碎填料按照一定比例進行混合后進行填筑壓實。地層情況主要分為兩層，從上至下依次為：粉質黏土，厚度為8.5～10.2 m，呈褐色，主要作為場地回填土；粉砂質泥巖，厚度為5～6 m，質地較密，礦物成分中包含赤鐵礦，呈紅褐色。由于場地土體較軟，荷載作用下沉降變形顯著，在現場選擇使用水泥土擠密樁對其進行加固。

1.2"單樁承載力現場試驗

現場使用的水泥擠密樁樁徑為0.5 m，有效樁長約為12 m，樁間距為1 m，施工采用的32.5級復合水泥，水泥摻量為18%，樁端持力層為粉砂質泥巖?；诂F場靜荷載試驗對水泥土擠密樁的單樁承載力進行了監測，隨機選取5根典型樁繪制其豎向承載力特性曲線，如圖1所示。

由圖1可知，抽檢的5根水泥擠密樁的單樁靜載豎向承載曲線變化較緩，現場試驗加載到240 kN時，單樁的最終沉降量為8.74～13.28 mm。根據規范要求，單樁豎向承載力的極限值可以取沉降量為40 mm所對應的荷載與最大試驗荷載中的較小值。因此，根據本次試驗結果，該處地基承載力的最大值取為240 kN，特征值為120 kN，已經達到設計要求。受時間和經費的限制，現場試驗無法對樁-土進行全面研究，為充分研究水泥土擠密樁單樁及復合地基的承載特性和荷載傳遞機制，后文將通過有限元軟件對其進行分析。

2"單樁承載特性研究

2.1"建立有限元分析模型

數值計算模型尺寸如圖2所示。其中，水泥土擠密樁的樁徑為0.5 m，樁長為12 m，第一層粉質黏土厚度為10 m，下部粉砂質泥巖厚度為5 m，整個模型寬度為16 m。為提升計算精度和計算效率，在劃分網格時采取局部加密的方式進行劃分，其中水泥土攪拌樁的網格尺寸為0.4 m，樁周土體的網格尺寸統一設置為1.0 m。

水泥土擠密樁與樁周土體材料均使用彈塑性本構模型。具體計算參數如表1所示，其中粉質黏土、粉砂質泥巖和水泥土擠密樁的材料參數均來自于現場工點的勘察報告。

2.2"計算工況設置

數值計算時樁周土體含水率共計設置8%，10%和12% 3種工況；樁周土體干密度共計設置1.75 g/cm3、1.80 g/cm3以及1.85 g/cm3 3種工況；樁長共設計10 m、12 m和14 m 3種工況；樁徑共設計0.4 m、0.5 m以及0.6 m 3種工況。加載時為避免樁周土體的影響，上覆荷載選擇直接加在樁頂，按照表1中樁的抗壓強度進行加載設計，最大荷載選為500 kPa，分10次進行加載，每級荷載為50 kPa。

2.3"數值結果分析

2.3.1"樁周土體干密度及含水率的影響

由于數值模擬采用的是單因素分析法，所涉及組數較多，受篇幅限制，本文僅展示部分計算結果。研究干密度對樁-土荷載傳遞機制的影響時，以含水率為10%、荷載為300 kPa工況為例，變更粉質黏土的干密度，所得結果如圖3所示。由圖3可知，不同干密度條件下樁身側摩阻力隨深度的變化趨勢大致相同，均隨著深度的增加呈現非線性減小的特征。值得注意的是，不同干密度條件下水泥土擠密樁的側摩阻力均在深度＜4 m時較大，而當深度＞4 m后，側摩阻力衰減較快。造成這一現象的原因可能是受水泥土擠密樁的作用機制的影響，由于其自身的剛度較低，在豎向荷載作用下部分荷載壓力會傳遞至樁身，樁身發生壓縮變形，將一部分能量以彈性勢能的方式進行存儲，而另一部分能量則被樁-土相互作用承擔。

同時，樁身受壓時會產生側向變形，側向變形也會增加其側摩阻力，但是由于變形主要集中在樁身上部，導致更深層樁身的側摩阻力不能被完全激發出來。

研究含水率對樁-土荷載傳遞機制的影響時，以干密度為1.80 g/cm3、荷載為300 kPa工況為例，變更粉質黏土的含水率，所得結果如圖4所示。由圖4可知，在相同干密度條件下，在樁身4 m以上區域，8%含水率所對應的側摩阻力最大，而含水率為10%所對應的側摩阻力最??；在樁身4 m以下區域則相反，8%含水率所對應的側摩阻力最小。通過對比不同干密度下的計算結果可知，當干密度較大時，含水量對側摩阻力的影響較小。

2.3.2"樁長影響

研究樁長影響時，以0.5 m樁徑、荷載為300 kPa工況為例進行分析（干密度為1.80 g/cm3，含水率為10%），變更水泥土擠密樁的樁長，所得結果如圖5所示。由圖5可知，與上文分析一致，在4 m以內的淺層區域，不同樁長的水泥土擠密樁的側摩阻力變化趨勢大致相同。隨著深度的不斷增加，不同樁長的水泥土擠密樁的側摩阻力開始發生變化，在4 m以下的同一深度處，樁長10 m的水泥土擠密樁的側摩阻力最大，而樁長為14 m的則最小，即較短的樁長反而可以承擔更大的豎向荷載。因此，對于水泥土擠密樁來說，在實際施工時樁長并非越長越好，而是要選擇合適的長度，以提升工程的經濟效益。

2.3.3"樁徑影響

研究樁徑影響時，以12 m樁長、荷載為300 kPa工況為例進行分析（干密度為1.80 g/cm3，含水率為10%），變更水泥土擠密樁的樁徑，所得結果如圖6所示。由圖6可知，在加固的淺層區域，樁徑越小側摩阻力反而越大。該結果表明，對于水泥土擠密樁來講，樁徑也并非越大越好。

通過上述研究明確了樁周土體干密度、含水率、樁長樁徑等影響因素對單樁側摩阻力的影響。然而，實際工程問題中，僅明確單樁的承載性無法進一步指導施工，要通過數值仿真分析進一步研究水泥土擠密樁復合地基的工程特性。因此，后文通過建立水泥土擠密樁復合地基的數值模型，對復合地基的荷載-沉降關系以及樁-土應力比進行研究。

3nbsp;復合地基沉降特性及荷載傳遞研究

3.1"復合地基計算模型

根據現場工程實際，建立了水泥土擠密樁復合地基模型（如圖7所示），樁徑為0.5 m，樁長為12 m，樁間距為1 m，褥墊層厚度為0.3 m，樁土等參數與前文計算參數相同。計算時的樁周土體含水率與樁周土體干密度設置情況與單樁計算時相同。分別研究不同工況下復合地基的荷載-沉降關系以及復合地基的樁土應力比規律。

3.2"結果分析

3.2.1"荷載-沉降關系

在進行復合地基計算時，考慮了褥墊層的影響，也正是因為褥墊層的存在，導致復合地基的沉降變形以及荷載傳遞與單樁存在較大差異。因此，需要對復合地基的沉降特性進行研究。在研究樁周土體干密度對復合地基沉降影響時，受文章篇幅限制，本節僅以含水率為10%以及干密度為1.80 g/cm3作為典型工況進行分析，繪制復合地基的荷載-沉降曲線如圖8和圖9所示。由圖8可知，含水率相同而干密度不同時，復合地基的沉降曲線變化趨勢大致相同，沉降量均隨著荷載的增大近似呈線性增大，而且樁周土體的干密度越大復合地基的沉降量越小。由圖9可知，在同一干密度而不同含水量條件下的復合地基沉降變化規律近乎一致，各工況間的沉降差值＜1 mm。通過圖9還可以觀察到，當含水率為8%時，復合地基的沉降最小。

綜合對比圖8和圖9可知，復合地基中地基土的含水率和干密度對復合地基沉降影響較小，這與前文單樁分析時存在較大差異。造成這種現象的原因是由于褥墊層的存在，導致上覆荷載不斷地在樁和土體之間調整，使樁-土更好地作用在一起。

3.2.2"樁土應力比關系

不同含水率以及干密度條件下的復合地基的樁土應力比如圖10和11所示。由圖10、圖11可知，水泥土擠密樁的樁土應力比均隨著上覆荷載的增加呈先增大再減小的變化規律，而樁周土體的含水率和干密度不影響其變化趨勢。通過圖10可知，干密度越大，在相同荷載條件下其樁土應力比越小。表明樁周土體越緊實，土體所能承擔的荷載就越大，因此樁承擔的荷載比例會有所減小。由圖11可知，當含水率為8%時，其樁土應力比最小，而含水率為10%時，樁土應力比最大。

4"結語

針對水泥土擠密樁的單樁承載特性和復合地基的變形以及荷載沉降問題，本文通過現場監測試驗和數值仿真計算得到如下主要結論：

（1）現場工點的水泥土擠密樁的地基承載力的最大值取為240 kN。

（2）在相同含水率條件下水泥擠密樁單樁側摩阻力隨深度的增加呈現非線性減小的特征，而且水泥土擠密樁在淺層區域發揮的加固效果最為顯著。在相同干密度條件下，樁周土體含水率為8%時的側摩阻力最大。

（3）水泥土攪拌樁主要發揮作用在地基的淺層區域（本文是＜4 m），不同樁長的水泥土擠密樁的側摩阻力變化趨勢不顯著。在施工時應選用合適的樁長，并非越長越好。

（4）復合地基受褥墊層的影響，導致樁周土體含水率和干密度對其影響遠小于單樁。復合地基的樁土應力比與土體干密度成負相關。

參考文獻：

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