水泥土攪拌樁復合地基承載力設計參數數值分析

吳曉榮 王東棟 歐 勇

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

水泥土攪拌樁復合地基承載力設計參數數值分析

吳曉榮 王東棟 歐 勇

（中水淮河規劃設計研究有限公司 蚌埠 233001）

本文從水泥土攪拌樁優化設計處理地基的基礎出發，對水泥土攪拌樁復合地基的承載力進行設計參數數值模擬研究。采用FLAC3D樁結構單元對水泥土樁的承載特性進行模擬，通過改變樁長、樁徑、置換率和樁體彈模等樁體設計參數，分析其對復合地基承載力的影響。對影響復合地基承載力的設計參數進行敏感性分析，找出主要影響因素，為工程設計提供指導。

水泥土攪拌樁 優化設計 數值模擬

水泥土攪拌樁復合地基是諸多復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、經濟效益顯著等特點，是國內外目前進行地基處理的主流技術之一。本文采用有限差分法FLAC3D進行復合地基承載力的數值分析計算，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行探討，研究復合地基承載力的變化規律。

1 工程概況

姜唐湖蓄（行）洪區位于淮河干流中游正陽關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）洪區的末端，退水閘具有擋洪、蓄洪、行洪、退洪以及反向進洪的功能。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、翼墻地基持力層強度較低且存在軟弱土層，設計擬對上下游翼墻地基進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值分析方法，它可以準確模擬巖土或其他材料的三維力學行為。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的改變，分析它們對復合地基承載力的影響，進行參數敏感性分析。翼墻②－②斷面的計算模型見圖1。

3 復合地基樁體參數影響分析

本文擬從樁長、樁徑、樁間距和樁體彈模這4個樁體參數出發，分析它們對復合地基承載力的影響。

3.1樁長參數影響

計算參數選取如下：翼墻基底應力70kPa；樁為等三角形布置，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時的樁土應力比，分析樁長對復合地基承載力的影響情況。

圖2為不同樁長與樁土應力比之間的關系，可以看出樁土應力比隨樁長有明顯變化。主要原因是樁間土的應力發生較大的變化，而樁的應力基本不隨樁長變化而變化，即樁長影響著樁間土的承載力的發揮。計算結果表明：樁土應力比隨樁長增加先增大后減小，并趨于穩定。這就意味著樁徑一定時，當樁長較短，樁體的樁端阻力發揮不大，主要由樁側摩阻力承擔外荷載，隨著樁長的增加，荷載向樁體集中，樁土應力比呈增長趨勢；當樁長逐漸增大，樁體落在地基持力層上后，樁端阻力開始發揮作用，樁體的強度逐漸達到極限，荷載開始向樁周土體轉移，樁土應力比減小；當樁長繼續增加超過一定的值后，土體也將達到破壞狀態，增加樁長，樁土分擔的荷載比例并不改變，曲線趨于穩定。可見在樁長超過一定值后，增加樁長對顯著提高樁體應力影響不大，即存在一臨界樁長，樁長超過該值時，增加樁長對提高復合地基承載力沒有太大意義。

3.2樁徑參數影響

由圖3樁徑與樁土應力比關系圖可以看出，樁土應力比隨著樁徑的增大而迅速減小。這是因為樁徑增大，樁體受力面積增大，樁身所受荷載應力則減小，而樁徑變化對樁周土體的應力影響卻不大。

3.3樁間距（置換率）參數影響

面積置換率在數值上等于樁的橫截面積和一根樁所承擔處理的地基的橫截面積之比。改變面積置換率，會相應改變復合地基的復合模量和復合泊松比的值。因此，取不同的面積置換率進行分析，實際上是分析不同復合模量、泊松比時復合地基的特性。

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，復合地基承載力的變化情況，如圖4所示。

從圖4中可以看出，置換率對復合地基的樁土應力比影響很大，當樁間距為1.34m時，樁土應力比達6.27，隨著置換率的增加，樁土應力比迅速降低。樁土置換率越大，單樁極限承載強度越小，或地基極限承載強度越大，則樁土應力比越小。由此可知，在低置換率時，水泥土樁所承受的荷載比率較大，充分發揮了樁體的承載力，因此復合地基破壞常表現為樁體先破壞；當置換率增大時，土承受荷載的荷載比率也有所提高，此時表現為土體的破壞，水泥土樁的承載能力未能充分發揮，顯然不是很經濟。為充分發揮樁和土的承載性能，在設計水泥土攪拌樁樁徑時，應考慮選取一個較為合適的置換率，建議取10%～30%，這樣比較經濟適用。

3.4樁體彈模參數影響

對于不同的樁體材料，其樁體的強度是不同的。如水泥土樁的彈性模量范圍為50～500MPa，而CFG樁和素混凝土樁可以達到25000MPa。下面通過計算對樁體的彈性模量的變化對復合地基產生的影響進行分析。

圖1 翼墻②－②斷面的計算模型

圖2 樁長與樁土應力比關系圖

圖3 樁徑與樁土應力比關系圖

圖4 置換率與樁土應力比關系圖

圖5 樁體彈模與樁土應力比關系圖

圖5為樁土應力比隨樁體彈模的變化的計算結果：隨著樁體的彈模的增大，樁土應力比相應增加，但增長率卻在下降。在土體模量一定時，增加樁體彈模，樁土模量比越大，則樁相對越硬，樁對于地基土的置換作用越明顯，樁頂應力集中越顯著，應力比有所增加，但隨樁模量進一步增大，應力比增加緩慢。在一定范圍內，樁體剛度對樁土應力比

影響較大，是影響復合地基承載特性的重要因素；但樁體剛度過大時，樁體表現出剛性樁基礎的承載特性，此時，即使樁的剛度再增加，樁土應力比的增長率很小。

表1 參數變化對樁土應力比影響結果表

4 參數敏感性分析

在進行參數敏感性分析時，為便于比較，假定研究范圍內的土層和樁體材料都是均勻的，單一參數變化時其他參數保持不變，改變樁長、樁徑、置換率及樁體彈性模量等物理力學參數值進行計算。

表1反映了樁體參數變化對樁土應力比的影響，從中可以看出，對復合地基承載力影響的參數敏感性從高到低的排列為：樁徑、樁體彈性模量、樁長、置換率，其中樁徑、樁體彈性模量的影響最為顯著，樁長、置換率的影響較為顯著。

5 結語

本文計算以姜唐湖退水閘工程作為研究實例，工程對翼墻的南北兩岸采用水泥土攪拌樁進行地基加固。采用巖土軟件FLAC3D對復合地基計算參數進行數值分析，分析了樁長、樁徑、樁間距和樁體彈性模量這4個樁體參數的變化對復合地基的承載力分別產生的影響；并對影響因素進行參數敏感性分析，為復合地基優化設計提供理論依據■