軟土基坑水泥攪拌樁格柵墻支護的優化

謝粵湘

摘 要：本文通過工程實例，采用建立有限元模型的方式，通過調整水泥攪拌樁格柵墻的布置形式，對原設計方案和優化后的方案進行受力計算和分析，并從結構的合理性和安全性方面對水泥攪拌樁格柵墻的布置形式進行對比和分析，可為日后相似工程提供借鑒和參考。

關鍵詞：水泥攪拌樁格柵墻布置形式 軟土基坑支護 有限元模型 優化

1.工程實例

新建聯石灣船閘工程主體結構施工由于受到場地的限制，基坑支護結構采用的是占地面積非常小的深層水泥攪拌樁格柵墻。水泥攪拌樁格柵支護墻寬度為10.2m，繞基坑四周設置，具體的布置形式為：基坑邊和最外側布置3排咬合攪拌樁，中間采用格柵狀布置（平行基坑縱軸的樁為2排咬合攪拌樁，垂直基坑縱軸的樁單排攪拌樁）。單根水泥攪拌樁的直徑0.7m，咬合搭接0.2m，樁中心間距0.5m。樁頂標高為- 0 . 2 m，樁底標高為-19.5m，28d無側限抗壓強度不低于800kPa。

2.參數選取

2.1土體參數取值

通過查看工程詳細勘探資料，新建聯石灣船閘工程土體建立有限元模型的具體參數可按表1取值。

2.2水泥攪拌樁參數取值

相對于軟土而言，水泥攪拌樁可以看作是半剛性樁，本文研究的前提就是把水泥攪拌樁當成剛度很大的土體。通過對聯石灣船閘工程水泥攪拌樁取芯試驗結果的統計分析，同時參考書籍《水泥土攪拌法處理地基》（徐至鈞主編），水泥攪拌樁建立有限元模型的具體參數取值如表2。

3.有限元模型的建立

本文采用Midas-GTS進行有限元模型的建立。水泥攪拌樁直徑0.7m，相互咬合搭接0.2m，樁長19.3m。為方便建模，樁間土層分布選用聯石灣船閘工程具有代表性的土層分布，自上而下分別為： 0～0.6m為粉砂層、0.6～13m為淤泥質粘土層，13～20m為淤泥質粉質粘土層。對有限元模型進行網格劃分，選取長12m、寬9.5m（樁中心間距）的水泥攪拌樁格柵墻建立模型。

3.1原方案

基坑邊和最外側布置3排相互咬合的水泥攪拌樁，中間格柵狀布置的形式為：平行于X軸為相互咬合搭接的雙排水泥攪拌樁，平行于Y軸為單排水泥攪拌樁，建模示意圖如圖2所示。

3.2優化方案

基坑邊和最外側布置3排相互咬合的水泥攪拌樁，中間格柵狀布置的形式為：平行于X軸為單排水泥攪拌樁，平行于Y軸為相互咬合搭接的雙排水泥攪拌樁，建模示意圖如圖3所示。

4.豎向加載受力分析與對比

4.1加載方式

在水泥攪拌樁格柵墻頂面施加100kPa的均布荷載。

4.2應力對比

從模型頂面施加100kPa的均布荷載后，兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻在Y軸方向的應力圖如圖4所示。

選取兩種方案Y軸方向應力圖的局部進行比較，如圖5。

從圖5可以看出，原方案Y軸方向上的應力值范圍為6.91kPa ～ 100.07kPa，優化方案Y軸方向上的應力值范圍為11.64kPa～57.81kPa。可明顯發現優化方案的模型受力比原方案模型受力更加均勻，優化方案的水泥攪拌樁格柵墻布置形式更為合理。

4.3側壓力對比

為了更細致的進行對比，沿X方向從兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻有限元模型中選取一單元模型進行分析，選取的單元模型如圖6所示。

在兩種方案單元模型頂面施加100kPa的均布荷載，可得出其在Y軸方向上的側壓力，具體如圖7所示。

在單元模型頂面施加100kPa的均布荷載后，沿著Y軸方向隨機選取受力點，將側壓力的大小繪制在圖8上。

分析圖8中的曲線可知，對水泥攪拌樁格柵墻的布置優化后（Y軸方向水泥攪拌樁由單排優化為雙排咬合），側壓力的分布在Y軸方向上比原方案更加均勻，增加了水泥攪拌樁格柵墻抵抗側壓力的能力。因此，可以說優化后的水泥攪拌樁格柵墻在結構上更為合理，也更有利于結構的安全。

5.側向加載受力分析與對比

5.1加載方式

在水泥攪拌樁格柵墻側面施加100kPa的均布荷載。

5.2應力對比

從模型側面施加100kPa的均布荷載后，兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻在Y軸方向的應力圖如圖9所示。

從圖9中不難看出，優化方案在Y軸方向上的顏色淺于原方案，因此其Y軸方向上的應力分布也比原方案更加均勻，從而避免了過多的應力集中，在抵抗側壓力方面也更加具有優勢。

5.3側壓力對比

為了更細致的進行對比，同樣沿X方向從兩種方案的水泥攪拌樁格柵墻有限元模型中選取一單元模型進行分析，單元模型的選取與豎向加載受力單元模型的選取相同。

施加100kPa的均布荷載在兩種方案模型的側面，可得出其在Y軸方向上的側壓力，具體如圖10所示。

在單元模型側面施加100kPa的均布荷載后，沿著Y軸方向隨機選取受力點，將側壓力的大小繪制在圖11上。

從圖11分析可知，優化方案模型在受到側向均布荷載時，側壓力分布更加均勻，從而避免了側壓力的集中分布，在抵抗側向荷載上更有優勢，相對于原方案更為安全。

6.結論

水泥攪拌樁格柵墻支護結構是受場地限制的軟弱土質基坑常見的一種支護結構。本文從新建聯石灣船閘工程基坑支護結構（水泥攪拌樁格柵墻）的布置形式著手，通過局部優化水泥攪拌樁格柵墻的布置形式，從豎向和側向加載進行受力分析和對比，得出優化后的水泥攪拌樁格柵墻的受力更加均勻，在抵抗荷載上更有優勢，結構更為合理，也更具有安全性，可為今后相似工程的水泥攪拌樁格柵墻的設計提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1]徐至鈞.水泥土攪拌法處理地基[M].北京：機械工業出版社，2004.

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