半剛性水泥攪拌樁軟基加固特性及回填分層施工影響研究

鄒鵬旭，陳良志，彭志豪

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州 510230)

近年來在海堤工程建設中，采用水泥攪拌樁進行軟弱地基處理的方法已經得到廣泛應用。在進行地基沉降等計算時，主要采用復合地基的計算方法進行綜合考慮，而將水泥攪拌樁以實體樁建模，通過樁土共同作用計算來分析其性質的研究十分缺乏。目前，復合地基已由傳統的柔性樁復合地基發展到半剛性樁合地基、剛性樁復合地基，而水泥攪拌樁復合地基中，水泥攪拌樁也在向長樁發展[1]。

本文分析的水泥攪拌樁樁長23.27 m，單樁強度高，屬于 “半剛性”水泥深層攪拌樁。傳統復合地基計算沉降時，由于復合地基土體指標的選取、應力場的分布以及樁土荷載分配等因素的不確定性，不同的假定方法得到的計算結果差異較大[2]。基于這一問題，通過空間三維有限元數值模擬分析方法建立水泥攪拌樁實體樁模型，設置界面單元模擬樁-土之間的相互作用，對比分析海堤施工過程中不同分層層數對海堤地表沉降和水泥攪拌樁的位移、應力及變形等影響。

1 工程實例概況

某斜坡式海堤工程堤長12.285 km，斷面布置如圖1-a所示，土體力學指標如表1所示。其中海相沉積土分布較廣、厚度大、含水率高、壓縮性高、靈敏度高、抗剪強度低，物理力學性質差，在海堤施工過程中易發生不均勻沉降及滑動破壞，是地基沉降的控制層，須進行地基處理。工程采用水泥攪拌樁和鋪設土工格柵的方法進行地基處理，水泥攪拌樁包括類型 I、類型II及類型III三種形式，樁頂高程為-3.0 m，底標高為-26.27 m，如圖1-b所示。水泥攪拌樁地基處理最小置換率為20%，呈梅花型布置。類型I及類型II樁間排距4.8 m，類型III樁間排距6.0 m。土工格柵采用BNISO 10319，橫向拉伸強度≤100 kN/m, 縱向拉伸強度≤800 kN/m。在海堤施工過程中需注意分級加載施工，監控工后沉降量以及水泥攪拌樁的應力、位移等，防止海堤不均勻沉降以及水泥攪拌樁的拉伸破壞。

表1 土層物理力學性質指標Tab.1 Geotechnical parameters of soil-layers

注：d1=海相沉積土以下深度；d2=沖積土頂部以下深度。

1-a 立面圖1-b 水泥攪拌樁局部平面圖 圖1 海堤結構示意圖Fig.1 Seawall structure diagram

工程施工工序為：先進行水泥攪拌樁的地基處理、鋪設2 m厚砂墊層及土工格柵，再進行海堤部分施工。在海堤堤心的施工中，為滿足施工需要并便于施工設備的布設，分別考慮兩種方案進行海堤堤心縱向分層施工。

方案一堤心采用六層分級回填，從下到上第一、二層分層厚度為0.5 m，第三至五層分層厚度為1.0 m，第六層分層厚度為0.7 m，從標高-2.0 m回填至頂面標高+2.7 m，最大加荷高度為1.0 m，如圖2-a所示。堤心上依次進行下臥層及護面塊石的分級回填，回填高度依次為1.3 m和2.8 m，最終達到護面塊石頂標高+6.8 m。各層坡度邊緣連線均在1V:15H梯度線以下，各層坡度均為1V: 5H。

方案二堤心采用三層分級回填，從下到上第一層分層厚度為1.0 m，第二層分層厚度為2.0 m，第三層分層厚度為1.7 m，從標高-2.0 m回填至頂面標高+2.7 m，最大加荷高度為2.0 m，如圖2-b所示。堤心上依次進行下臥層及護面塊石的分級回填，回填高度依次為1.3 m和2.8 m，最終達到護面塊石頂標高+6.8 m。沿海堤縱向，各層坡度邊緣連線均在1V:15H梯度線以下，各層坡度均為1V: 5H，與方案一各層材料及頂面高程保持一致。

2-a 方案一

2-b 方案二圖2 海堤堤心石縱向分層斷面圖Fig.2 Seawall structure construction layers in longitudinal direction

3-a 方案一3-b 方案二圖3 PLAXIS 3D模型圖Fig.3 PLAXIS 3D model

4-a 方案一

4-b 方案二圖4 PLAXIS 3D模型縱向分層圖Fig.4 PLAXIS 3D model of construction layers in longitudinal direction

2 數值模擬

圖5 PLAXIS 3D水泥攪拌樁模型圖Fig.5 PLAXIS 3D model of cement mixing piles

為分析海堤在軟土地基上的沉降、水泥攪拌樁的應力及變形等特性，以及分級回填對于施工過程的影響等問題，采用PLAXIS 3D巖土有限元分析軟件，針對以上兩種方案進行建模對比分析(見圖3、圖4)，為簡化計算，模擬不考慮后方回填區及倒濾層。采用Mohr-Coulomb模型模擬土體，Mohr-Coulomb模型能較好地描述海積軟土在堆填荷載作用下的變形特性，包括豎向沉降和側向變形[3-4]。水泥攪拌樁采用實體樁建模，等效為截面面積相等的矩形方樁(見圖5)。根據大量現場試驗結果，水泥攪拌樁與土體接觸面的荷載傳遞特性類似剛性樁[5]，通過設定合適的界面強度折減因子，來模擬水泥攪拌樁與土體接觸面上應力差異導致的相互作用，界面單元采用包含6對節點的12節點Goodman單元[6]。土體采用10節點四面體單元，土工格柵采用柔性彈塑性六節點三角形面單元，并在結構剛度矩陣里加入大位移及初應力矩陣，更新Lagrangian算法[7]，在迭代計算中更新網格，模擬大變形對有限元方程的影響。

為減小模型兩側邊界對分析結果的影響，通過試算確定對結構內力無明顯影響時的土體計算范圍。模型沿海堤縱向的長度取為168 m，沿海堤橫向的長度取為80 m，地基底面標高為-50 m，已達海床持力層。海堤兩側采用對稱邊界，豎向位移保持自由，底面采用全約束。考慮10 kPa的施工荷載，施工期水位為+0.36 m。

圖6 地表沉降曲線Fig.6 Settlement curve on ground surface

3 結果分析

3.1 地表沉降分析

海堤施工期間，方案一堤心采用六層分級回填，最大加荷高度為1.0 m；方案二堤心采用三層分級回填，最大加荷高度為2.0 m。從堤心施工開始，頂面標高達到-2.0 m時，兩種方案總沉降相同，均為2.782 cm。至堤心部分施工完畢，頂面標高達到+2.7 m時，方案一總沉降達到8.578 cm，方案二總沉降達到8.704 cm。至海堤整體施工完畢，頂面標高達到+6.8 m時，方案一總沉降達到16.88 cm，方案二總沉降達到16.86 cm(見圖6)。

從沉降曲線可以看出，兩種方案的最終總沉降量相差在0.12%以內，施工過程中相同標高的最大沉降量差在1.23%以內。說明相同條件下，海堤堤心不同分級厚度及分層層數施工對地表沉降的影響很小。

表2 海堤施工方案一與方案二計算結果對比Tab.2 Comparison of calculation results between scheme 1 and scheme 2

3.2 水泥攪拌樁位移、變形分析

在海堤施工完畢，頂面標高達+6.8 m時，對比兩種施工方案的水泥攪拌樁樁體的位移結果(見表2)，可知，水泥攪拌樁最大水平位移為34 mm，最大沉降為89 mm。

圖7為兩種方案水泥攪拌樁體沿海堤的橫向、縱向變形圖。可知，沿海堤橫向，在上覆海堤結構的作用下，坡腳應力集中帶大，產生的剪應力大，因此，水泥攪拌樁變形大、水平位移大。由于陸側坡度(1V:1.5H)較海側坡度(1V:2H)陡，水泥攪拌樁最大水平位移出現在陸側坡腳的類型III上部(見圖8-a、8-b)。

沿海堤縱向，由于分層施工，海堤邊緣連線在1V:15H梯度線下，上覆海堤重量由于高程的降低依次減小，水泥攪拌樁豎向壓縮變形、沉降及傾斜變形依次減小，在上覆海堤結構的偏心作用下，海堤縱向坡腳附近應力集中帶大，產生的剪應力大，水泥攪拌樁的縱向位移大(見圖8-c、8-d)。由于類型II水泥攪拌樁上覆海堤重量大，因此壓縮變形大，由于底部土體的嵌固作用，樁端縱向變形很小，因此，水泥攪拌樁沉降最大的位置在類型II樁頂處(見圖8-e、8-f)。

7-a 水泥攪拌樁沿海堤橫向變形圖位移(放大100倍)7-b 水泥攪拌樁沿海堤縱向變形圖(放大200倍)圖7 水泥攪拌樁變形圖Fig.7 Deformation diagram of cement mixing piles

由于兩種方案各層坡度邊緣連線均在1V:15H梯度線以下，兩種方案計算結果相近，各項變量的差值百分比均在10%以內。計算結果表明，在相同條件下，海堤堤心不同分級厚度及分層層數施工對水泥攪拌樁的位移等因素的影響較小。

8-a 方案一x方向位移8-b 方案二x方向位移8-c 方案一y方向位移

8-d 方案二y方向位移8-e 方案一z方向位移8-f 方案二z方向位移圖8 水泥攪拌樁位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of cement mixing piles

3.3 水泥攪拌樁應力分析

在海堤施工完畢，頂面標高達到+6.8 m時，對比兩種施工方案的水泥攪拌樁樁體的有效應力結果(見表2)，可知，水泥攪拌樁最大拉應力為153 kN/m2，最大壓應力為426 kN/m2。

由圖9，水泥攪拌樁的最大拉應力出現在y方向的樁體邊緣處，由于將梅花型樁體等效為等面積的方樁，可知，由于有限元方法網格劃分的特點，在樁體邊緣處產生了應力集中。依據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)[8]，水泥攪拌樁的最大拉應力在其抗壓強度設計值的15%內，水泥攪拌樁未發生拉伸破壞。

由于兩種方案各層坡度邊緣連線均在1V:15H梯度線以下，兩種方案計算結果相近，各項變量的差值百分比均在6%以內。計算結果表明，在相同條件下，海堤堤心不同分級厚度及分層層數施工對水泥攪拌樁的應力的影響較小。

9-a 方案一x方向應力9-b 方案二x方向應力9-c 方案一y方向應力

9-d 方案二y方向應力9-e 方案一z方向應力9-f 方案二z方向應力圖9 水泥攪拌樁應力云圖Fig.9 Stress nephogram of cement mixing piles

4 結語

基于某斜坡式海堤工程建立三維巖土有限元數值模型，分析了海相沉積土在海堤分級施工加載作用下的水泥攪拌樁的位移、應力及變形等特性，并在縱向坡度相同的情況下，對比分析不同分級厚度及分層層數施工對地表沉降、水泥攪拌樁的位移、應力及變形等特性的影響，得出以下結論：

(1)海堤地表沉降最大為16.9 cm，半剛性水泥攪拌樁體最大水平位移為34 mm，最大沉降為89 mm，最大拉應力為153 kN/m2，最大壓應力為426 kN/m2。由于本文采用實體樁建模，彌補了復合地基計算方法難以準確得到水泥攪拌樁的水平位移、豎向沉降、應力等特性的不足。同時，避免了受復合土體指標選取等因素影響的不確定性。

(2)半剛性水泥攪拌樁體的水平位移受坡腳附近應力集中帶的影響，豎向沉降與上覆荷載作用及底部土體的嵌固作用有關，水平向及豎向有效應力與埋深及上覆荷載作用正相關。

(3)在縱向坡度等因素相同的情況下，只改變分層施工的分層厚度及分層層數對地表沉降，以及水泥攪拌樁的位移、應力等因素影響較小。方案二由于簡化了施工工序，從而提高了施工效率，縮短工期，節省工程造價。建議在滿足設計及施工要求的情況下，可采用減少分層層數的方法進行施工。

(4)實體樁建模方法能更真實的反映軟土地基加固的變形性質，建議在今后設計中，采用實體樁建模方法來模擬半剛性水泥土攪拌樁的軟基加固作用。