水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降設(shè)計參數(shù)數(shù)值分析

吳曉榮 王東棟 水 艷

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 蚌埠 233001 2.淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001）

水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降設(shè)計參數(shù)數(shù)值分析

吳曉榮1王東棟1水 艷2

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 蚌埠 233001 2.淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001）

本文從水泥土攪拌樁優(yōu)化設(shè)計處理地基的基礎(chǔ)出發(fā)，對水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降進(jìn)行設(shè)計參數(shù)數(shù)值模擬研究。采用FLAC3D樁結(jié)構(gòu)單元對水泥土樁的變形規(guī)律進(jìn)行模擬，通過改變樁長、樁徑、置換率和樁體彈模等樁體設(shè)計參數(shù)，分析其對復(fù)合地基變形特性的影響。對影響復(fù)合地基變形的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，找出主要影響因素，為工程設(shè)計提供指導(dǎo)。

水泥土攪拌樁 優(yōu)化設(shè)計 數(shù)值模擬

水泥土攪拌樁復(fù)合地基是諸多復(fù)合地基中具有代表性的一種，一般具有工期短、污染少、震動小、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，是國內(nèi)外目前進(jìn)行地基處理的主流技術(shù)之一。本文采用有限差分法FLAC3D進(jìn)行復(fù)合地基沉降的數(shù)值分析計算，對各種樁體影響因素諸如樁長、樁徑、面積置換率及樁體彈性模量等進(jìn)行探討，研究復(fù)合地基沉降的變化規(guī)律。

1 工程概況

姜唐湖蓄（行）洪區(qū)位于淮河干流中游正陽關(guān)至臨淮崗洪水控制工程之間。姜唐湖退水閘位于姜唐湖蓄（行）洪區(qū)的末端，退水閘具有擋洪、蓄洪、行洪、退洪以及反向進(jìn)洪的功能。工程為Ⅱ等大（2）型工程，閘室共16孔，每孔凈寬10m。本工程閘基及岸、翼墻地基持力層強(qiáng)度較低且存在軟弱土層，設(shè)計擬對上下游翼墻地基進(jìn)行水泥土攪拌樁處理。

2 有限差分法建立模型

三維快速拉格朗日法（FLAC3D）是一種基于顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，可以準(zhǔn)確模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。計算選取退水閘工程翼墻②-②斷面為基本建模對象，通過對各種樁體參數(shù)的改變，分析它們對復(fù)合地基沉降的影響，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。翼墻②－②斷面的計算模型見圖1。

3 復(fù)合地基樁體參數(shù)影響計算

本文擬從樁長、樁徑、樁間距和樁體彈模這4個樁體參數(shù)出發(fā)，分析它們對復(fù)合地基沉降的影響。

3.1 樁長參數(shù)影響

本節(jié)計算參數(shù)選取如下：翼墻基底應(yīng)力70kPa；樁為等邊三角形布置，樁間距1.2m；樁徑0.6m，樁體彈性模量300MPa。計算樁長分別取 8m、9m、9.5m、10m、10.5m、11m和12m時的復(fù)合地基沉降，分析樁長對復(fù)合地基沉降的影響情況。

圖2為復(fù)合地基沉降隨樁長的變化規(guī)律曲線。計算結(jié)果表明：地基沉降隨樁長增加逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。隨著樁長的增加，地基總沉降和下臥層沉降都在減小，而加固層的沉降則隨著樁長的增加而增加，這是由于樁長的增加，使得下臥層的壓縮厚度變小，壓縮深度變大，這樣作用在下臥層上的附加應(yīng)力變小，從而使得下臥層的沉降減小。樁長的增加使加固層的厚度變大，所以加固層的沉降有所增加，但是增加的幅度不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于下臥層的減小幅度，故地基的總沉降量減小。但是曲線的斜率是慢慢減小的，樁長增長到一定程度，復(fù)合地基的應(yīng)力場和位移場的分布逐漸穩(wěn)定，復(fù)合地基的沉降較小，繼續(xù)增加樁長對減小復(fù)合地基整體沉降幾乎不再產(chǎn)生什么效果。

3.2 樁徑參數(shù)影響

樁徑對樁頂沉降的影響可以從圖3看出，隨樁徑的增大，樁頂沉降隨之減小。這是由于樁徑增大時，樁頂荷載不變，樁身的應(yīng)力就相對減小了，這樣樁身壓縮量顯然減小。

3.3 樁間距（置換率）參數(shù)影響

圖1 翼墻②－②斷面的計算模型

圖2 樁長與復(fù)合地基沉降關(guān)系圖

圖4 置換率與復(fù)合地基沉降關(guān)系圖

表1 參數(shù)變化對沉降影響結(jié)果表

圖3 樁徑與樁頂沉降關(guān)系圖

圖5 樁體彈模與復(fù)合地基沉降關(guān)系圖

本文計算了翼墻②-②斷面水泥土樁間距分別為0.86m、0.93m、1.2m、1.4m時，即置換率分別為 24.61%、21.14%、13.11%、10.60%時，復(fù)合地基沉降的變化情況，如圖4所示。

由圖4可見，樁距較大時，上部軟弱土層中的附加應(yīng)力很大，基礎(chǔ)沉降也較大，減小樁距，能夠有效將上部土層中的應(yīng)力向下傳遞，對減小復(fù)合地基整體沉降的效果非常明顯；樁距較小時，復(fù)合地基沉降降低很多，減小樁距，對土中的應(yīng)力分布有一定影響，但比以前明顯減弱，所以復(fù)合地基整體沉降減小不是很明顯；樁距減小到一定程度，樁距變化對土中的應(yīng)力場影響甚小，基礎(chǔ)的沉降較小，并趨于穩(wěn)定，則繼續(xù)減小樁距對減小復(fù)合地基整體沉降幾乎沒有什么效果。

面積置換率不是影響復(fù)合地基沉降的主要因素，增加置換率主要是減小加固層的沉降，對減小下臥層的沉降作用并不明顯。但是大量實(shí)測資料和工程實(shí)例計算表明，加固層沉降一般很小，通常小于30mm，所占地基總沉降量的比例較小。因此在設(shè)計中，一味的增加置換率來加大加固層的剛度以達(dá)到減小沉降的方法是不可取的，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件和建筑的上部荷載大小取一個最優(yōu)的面積置換率。

3.4 樁體彈模參數(shù)影響

圖5為復(fù)合地基沉降隨樁體彈模變化的關(guān)系圖。計算表明：當(dāng)土體模量一定時，增大樁體模量可減小沉降，當(dāng)樁體的彈模增加到一定值后，繼續(xù)增加樁體的彈模對復(fù)合地基沉降影響不明顯。提高樁體強(qiáng)度可提高加固層的變形模量，減小加固層沉降，將荷載傳遞到深層土體中。由于實(shí)際土層的分布一般隨深度增加，土層的剛度增大，因此被轉(zhuǎn)移到深層的荷載對該處土體變形影響不大，從而有效減小建筑物的總沉降。因此復(fù)合地基的加固一般應(yīng)穿透軟弱土層。

樁體彈性模量增大后地基沉降減小逐漸不明顯的原因是，樁體強(qiáng)度的決定因素是水泥摻入比，靠提高水泥摻入比來減小復(fù)合地基沉降作用不大，況且提高水泥摻入比會直接增加工程造價，因此水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計只需選擇合適的水泥摻入比即可，一般設(shè)計采用的水泥摻入比為13%～18%。

4 參數(shù)敏感性分析

表1反映了參數(shù)變化對復(fù)合地基沉降的影響，從中可以看出，對復(fù)合地基沉降影響的參數(shù)敏感性從高到低的排列為：樁長、樁徑、置換率、樁體彈性模量，其中樁長、樁徑的影響較為顯著。

5 結(jié)語

本文計算以姜唐湖退水閘工程作為研究實(shí)例，工程對翼墻的南北兩岸采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基加固。采用巖土軟件FLAC3D對復(fù)合地基計算參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，分析了樁長、樁徑、樁間距和樁體彈性模量這4個樁體參數(shù)的變化對復(fù)合地基的沉降分別產(chǎn)生的影響；并對影響因素進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，為復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)