釘形攪拌樁加固海相沉積軟土地基效果研究

姚 成 趙志強(qiáng)

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

釘形樁復(fù)合地基法加固處理公路軟土地基技術(shù)是近年來發(fā)展起來的公路軟土地基處理新技術(shù)，其在加固軟土地基方面具有很多優(yōu)勢[1，2]。該技術(shù)在江蘇等地區(qū)公路建設(shè)軟土地基處理實(shí)踐中取得了較好的處理效果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，是公路軟土地基處理中具有推廣意義的軟基處理技術(shù)。但目前釘形水泥雙向攪拌樁技術(shù)在浙江寧波地區(qū)軟基處理工程中尚未得到有效應(yīng)用，由于寧波地區(qū)軟土是海相沉積軟土，其物理力學(xué)性質(zhì)與江蘇地區(qū)有較大差別，所以在寧波地區(qū)展開必要的實(shí)驗(yàn)研究是非常重要的。本文依托寧波市盛寧線公路軟土地基處理工程，采用數(shù)值分析方法對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 水泥攪拌樁復(fù)合地基技術(shù)

水泥攪拌樁是用水泥作為固化劑，通過深層攪拌與被加固軟土地基強(qiáng)制攪拌，在軟土地基中形成水泥土樁樁體。常規(guī)樁在實(shí)際應(yīng)用中存在很多不足[3，4]。針對常規(guī)樁存在的問題，目前雙向水泥攪拌樁(簡稱雙攪樁)技術(shù)可以較好解決。雙攪樁通過在同心雙軸的鉆桿上設(shè)置可折疊的葉片并在適當(dāng)深度改變鉆桿的旋轉(zhuǎn)方向來實(shí)現(xiàn)形成符合荷載傳遞規(guī)律的釘形樁。釘形樁不僅具有雙攪樁的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備其他一些優(yōu)勢[2]。

2 數(shù)值分析可行性驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)段介紹

現(xiàn)場試驗(yàn)段為浙江省寧波市盛寧線的加寬改造工程，其軟土層主要為海相沉積的淤泥質(zhì)軟土。在依托工程中選擇545 m(K12+825～K13+370)路段開展現(xiàn)場試驗(yàn)研究。其自上而下各土層分別為:填土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化凝灰?guī)r;各層土主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)參數(shù)

現(xiàn)場試驗(yàn)段分為兩個(gè)區(qū)，Ⅰ號(hào)區(qū)為常規(guī)水泥攪拌樁，Ⅱ號(hào)區(qū)為釘形雙向水泥攪拌樁。采用普硅32.5級(jí)水泥，28 d樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于1 000 kPa，平面采用梅花形布置，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)段水泥攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù) m

2.3 現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬對比

先對Ⅰ，Ⅱ號(hào)試驗(yàn)段的工況進(jìn)行模擬，P—S曲線見圖1。由圖1可以看出，數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)的P—S曲線基本一致，但極限承載力現(xiàn)場試驗(yàn)均比數(shù)值模擬的要大;相同荷載下的沉降量現(xiàn)場試驗(yàn)要比數(shù)值模擬小，是因?yàn)閿?shù)值模擬的結(jié)果為復(fù)合地基完全沉降后的結(jié)果，而現(xiàn)場試驗(yàn)的沉降并沒有完全穩(wěn)定。從模擬及試驗(yàn)結(jié)果還可以看出Ⅰ區(qū)的承載力遠(yuǎn)小于Ⅱ區(qū)的承載力，只有Ⅱ區(qū)的3/5;而Ⅰ區(qū)的沉降量卻高于Ⅱ區(qū)，大概要高出1倍左右。由此可見，不僅數(shù)值模擬結(jié)果比較符合現(xiàn)場試驗(yàn)，而且釘形樁加固海相沉積的軟土地基效果較常規(guī)樁要好。

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬的P—S曲線

3 數(shù)值模擬方法

由于現(xiàn)場條件和經(jīng)濟(jì)條件的限制，不可能對每種工況都進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。所以，為了了解擴(kuò)大頭高度(H)，樁間距(S)和擴(kuò)大頭直徑(D)對軟土地基加固效果的影響，這里采用FLAC 3D軟件對不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬。本文土體采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型，樁體采用彈性本構(gòu)模型，各土層分布及數(shù)值模擬所需要的土層參數(shù)和樁參數(shù)見表3。樁與樁周土之間設(shè)置接觸面，其接觸面單元的參數(shù)用下式計(jì)算[5，6]:

其中，kn為法向剛度;ks為切向剛度;K為體積模量;G為剪切模量;Δzmin為周邊單元體法相最小寬度。

對于模擬滑移和分離的情況，接觸面摩擦參數(shù)的選取非常重要。研究表明[8，9]，樁土界面之間的摩擦角 δ，對于粘土取 δ/φ =0.6～0.7(φ是樁周土的有效內(nèi)摩擦角)是比較合適的。

表3 主要數(shù)值模擬參數(shù)

數(shù)值模擬建模沿路中心線取半邊，并在橫向取一段能反映整個(gè)路段特性的對稱段。模型深度取樁長的2倍，即32 m;裙樁外圍土體取2倍裙樁寬度，即26.4 m。地下水位線深度為2 m，并且不考慮軟土的固結(jié)。整個(gè)模型含有4萬多元和5萬多節(jié)點(diǎn)，見圖2。

圖2 數(shù)值模擬模型

4 釘形水泥攪拌樁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

4.1 模擬方案和經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

本文的模擬方案以實(shí)際工況的擴(kuò)大頭高度H=6 m，擴(kuò)大頭直徑 D=1.0 m，下部樁體直徑 d=0.5 m，樁間距 S=2.2 m，樁長L=16 m為參考標(biāo)準(zhǔn)。固定樁長L及下部樁體直徑d不變，改變擴(kuò)大頭高度H、擴(kuò)大頭直徑D及樁間距S中的一個(gè)，研究釘形雙向水泥攪拌樁在路堤荷載下路中樁頂沉降隨H，D和S的變化規(guī)律。具體模擬方案見表4。

本文以單位處理面積的水泥用量和極限承載力的比值X作為評價(jià)處理方案的經(jīng)濟(jì)效果的好壞的標(biāo)準(zhǔn)，因此X值越小表明經(jīng)濟(jì)效益越好。水泥用量的計(jì)算公式為式(2):

其中，m為單位處理面積的水泥用量;W為消耗水泥總量;A為加固區(qū)面積;V為單樁的體積;γ為土的容重;α為水泥滲入比;N為樁數(shù)。

表4 模擬方案

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 擴(kuò)大頭高度對路中樁頂沉降的影響

圖3為不同擴(kuò)大頭高度模擬方案的模擬結(jié)果，其中承載力為單樁有效處理軟土地基面積的承載力。從圖3中可以看出擴(kuò)大頭高度分別為0 m(常規(guī)樁)，2.0 m，4.0 m，6.0 m，8.0 m 的極限承載力分別為180 kN，270 kN，330 kN，390 kN，420 kN;表 5 為不同擴(kuò)大頭高度的X值。

圖3 不同擴(kuò)大頭高度的P—S曲線

由圖3可以看出擴(kuò)大頭高度由0 m分別提高到2 m和4 m，其極限承載力分別增加了50%，83%;擴(kuò)大頭高度由4 m提高到6 m極限承載力分別增加了18%;擴(kuò)大頭高度由6 m提高到8 m其極限承載力只增加了8%。通過表5可以看出:在擴(kuò)大頭由0 m增加到2 m時(shí)，X值由1.07迅速減小到0.99，之后X值基本穩(wěn)定，后期增加到1.15。這說明由于擴(kuò)大頭的存在，復(fù)合地基的極限承載力增加非常明顯，但也不是擴(kuò)大頭越高越好，表5中X值的變化表明擴(kuò)大頭的高度存在一個(gè)最佳值，在2 m～6 m之間。

表5 不同擴(kuò)大頭高度的X值

4.2.2 擴(kuò)大頭直徑對路中樁頂沉降的影響

圖4為不同擴(kuò)大頭直徑模擬方案的模擬結(jié)果。從圖4中可以看出對于擴(kuò)大頭直徑為 0.5 m(常規(guī)樁)，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m，1.4 m 的復(fù)合地基，其極限承載力分別為 180 kN，225 kN，300 kN，400 kN，450 kN，500 kN。在擴(kuò)大頭的直徑由 0.5 m 增加到0.8 m時(shí)，其極限承載力增加了66%;由0.8 m增加到1.2 m時(shí)，極限承載力增加了50%;由1.2 m增加到1.4 m時(shí)，極限承載力只增加了11%。可見，隨著擴(kuò)大頭的增加其極限承載力先是迅速增加然后增加放緩。而表6的X值變化也同樣說明這個(gè)問題，在擴(kuò)大頭直徑增加的初期X值基本穩(wěn)定，然后在擴(kuò)大頭直徑增加到1.0 m之后X值又迅速增加。雖然在X值較小的初期水泥利用率比較高，但其P—S曲線圖表明，在擴(kuò)大頭直徑較小時(shí)，復(fù)合地基并不能提供足夠的承載力。所以擴(kuò)大頭的直徑不能設(shè)計(jì)的過小，其最佳設(shè)計(jì)值在0.8 m～1.0 m之間。

圖4 不同擴(kuò)大頭直徑的P—S曲線

表6 不同擴(kuò)大頭直徑的X值

4.2.3 樁間距對路中樁頂沉降的影響

圖5為不同樁間距模擬方案的模擬結(jié)果。從圖5中可以看出樁間距為 2.6 m，2.4 m，2.2 m，2.0 m，1.8 m 對應(yīng)的極限承載力分別為210 kN，350 kN，400 kN，450 kN，500 kN。在樁間距由2.6 m減小到2.2 m時(shí)，其極限承載力增加了90%;樁間距由2.2 m減小到1.8 m時(shí)，其單位面積水泥用量增加了50%，而極限承載力只增加了25%。而表7中X值的變化情況也說明并不是樁間距越小越好:隨著樁間距的減小其水泥用量急劇增加，但復(fù)合地基的極限承載力增加并不明顯。這表明樁間距也存在一個(gè)最佳設(shè)計(jì)值，在 2.2 m ～2.4 m 之間。

圖5 不同樁間距的P—S曲線

表7 不同樁間距的X值

4.2.4 經(jīng)濟(jì)效益比較

由式(2)可得常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)處理單位面積軟土地基水泥用量為490 kg。樁間距S=2.2 m，擴(kuò)頭直徑D=1.0 m，擴(kuò)大頭高度在2 m～6 m的單位面積水泥用量較常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)要節(jié)省16%～46%;沉降量較常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)要減少50%～64%。樁間距S=2.2 m，擴(kuò)大頭高度H=6.0 m，擴(kuò)大頭直徑在0.8 m～1.0 m的單位面積水泥用量較常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)要節(jié)省16%～37%;沉降量較常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)要減少50%～58%。擴(kuò)大頭高度 H=6.0 m，擴(kuò)頭直徑 D=1.0 m，樁間距在2.2 m～2.4 m的單位面積水泥用量較常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)要節(jié)省16%～30%;沉降量較常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)要減少50%～55%。與此同時(shí)釘形樁復(fù)合地基的承載力要高于常規(guī)樁試驗(yàn)區(qū)0.8 倍左右。

5 結(jié)語

1)在相同條件下，釘形樁加固軟土地基的效果遠(yuǎn)好于常規(guī)樁:極限承載力比常規(guī)樁大0.6倍左右，沉降量只有常規(guī)樁的0.5倍左右。2)釘形樁極限承載力隨著擴(kuò)大頭高度H、擴(kuò)大頭直徑D的增大而增大;隨著樁間距S的減小而增大。H，D，S都存在一個(gè)最佳設(shè)計(jì)值，對于H最佳值在2.0 m～6.0 m，對于D最佳值在0.8 m ～1.0 m，對于 S 最佳值在2.0 m ～2.4 m。在此范圍內(nèi)不僅能提供足夠的承載力，而且其水泥利用率是最高的。3)釘形樁復(fù)合地基處理單位面積水泥用量大大減少，能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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