樁體特性對軟土地區復合地基沉降特性影響及優化設計研究

倪先棟

（河北齊榮工程設計服務有限公司，河北 邢臺 054000）

1 引言

隨著我國城市化建設進程的持續推進，軟土地區的建筑項目建設步伐也日益加快，同時對地基承載力、沉降量等方面的控制也更加嚴格。相較于一般地區而言，軟土往往具有承載力低、排水能力差、結構性明顯、流變性顯著等特征，使得軟土地區的地基處理難度較大【1】。在軟土地區建筑設計過程中如何控制軟土地區建筑物的沉降變形和選擇經濟、合理、可行的地基處理方案已經成為國內外學者及工程技術人員關注的重大問題，同時，也是確保整個建筑項目經濟性、安全性的重要前提之一。當采取地基處理方法來改善軟土工程性質時，應當選擇適當的設計理念來減小土體（不均勻）沉降，否則會對上部建筑結構的安全性和正常使用功能產生一定程度的不利影響【2】。大量工程實踐表明，復合地基法在處理軟土地基時具有處治深度大、工程造價低、施工便利等優點，在軟土地基處理中得到了廣泛應用。因此，為了提高城市建筑結構的設計質量，推動我國軟土地區整體建設水平，研究樁體特性對軟土地區復合地基沉降規律的影響，并基于此來進行優化設計具有十分重要的工程意義。

2 依托工程概況

2.1 項目簡介

該教學樓項目為2 層建筑，層高10m，建筑總高度13.5m，建筑面積1 008m2，設計使用年限是50a。該項目范圍內地基土以軟土和人工填土（呈松散狀態）為主，對建筑物沉降變形控制較嚴格。與此同時，該場地屬于不液化場地。因此，設計單位對該教學樓項目地基采用“復合地基法”進行處理，以保證師生的正常教學活動及人身安全。

2.2 地基處治措施

為了更好地控制地基土在荷載作用下的（不均勻）沉降，本工程選擇深層攪拌樁工藝（水泥作為固化劑）。即使用攪拌機械將水泥漿與土體混合在一起形成具有較高強度和剛度的水泥土攪拌樁復合地基。深層攪拌樁施工技術的詳細施工流程如下：測量放樣→攪拌樁機就位→提升噴漿攪拌→重復上下攪拌→關閉攪拌機→清理攪拌機→機具移位。根據設計文件要求，為了更好地發揮水泥土攪拌樁樁體的承載作用，樁體按正方形布置，樁長為10m，樁間距為1.5m，樁徑為500mm，單樁豎向承載力特征值不小于120kPa，具體樁位布置及樁土位置關系如圖1 所示。

圖1 水泥土攪拌樁樁體樁位布置及樁土位置

3 軟土地區復合地基沉降特性影響因素

3.1 計算模型建立及網格劃分

選擇有限差分軟件FLAC3D5.0 來研究樁體參數（彈性模量、樁長、樁間距）對復合地基沉降變形特性的影響規律。同時，該項目中樁數較多，且相關學者研究表明【3】，復合地基長度、寬度對其沉降變形影響程度不大，故選擇單樁展開計算。水泥土攪拌樁樁體周圍土層主要是淤泥質土，其密度1 835kg/m3、泊松比0.32、彈性模量24MPa、內摩擦角55°。

為了提高模型的計算精度，更加真實地模擬現場實際情況，在劃分模型網格時采用了局部加密的方法，即將樁的周圍土體網格加密，將巖土體邊緣網格劃分較為稀疏，網格形式均采用三角形單元【4】，將樁基計算模型按照土體性質差異性劃分為2 個區域，共劃分3 874 個網格。FLAC3D5.0 軟件內置了多種本構關系，筆者在軟件計算時采用了摩爾-庫倫屈服準則。模型的邊界條件是：計算時將樁基底部對x、y、z 3 個方向位移完全約束，將其視為固定端；樁基頂端對z 方向不約束，將其視為鉸接端【5】，單樁計算模型及邊界條件如圖2 所示。

圖2 水泥土攪拌樁樁體計算模型及邊界條件

3.2 不同工況下復合地基沉降變形分析

通過FLAC3D5.0 計算出的水泥土攪拌樁復合地基在不同彈性模量、不同樁長、不同樁間距工況下的沉降變形計算結果如表1 所示。

表1 不同工況下復合地基沉降變形計算結果

由計算結果可知：水泥土攪拌樁復合地基的沉降變形隨著樁體材料剛度的增大而減小，減小幅度達到了62.5%；隨著樁長的增加，水泥土攪拌樁復合地基的沉降不斷減?。堕L增加，樁側摩阻力增大，沉降控制效果提高），但其減小速率不斷降低，且當樁長大于8m 時，復合地基的沉降基本不變；隨著樁間距的增加，水泥土攪拌樁復合地基的沉降不斷增加，增加速率同樣在降低，且當樁間距超過1.5m 時，復合地基的沉降基本不變。

3.3 復合地基優化設計

綜上可知，可以認為水泥土攪拌樁復合地基的樁長大于8m、樁間距大于1.5m 時，再增大樁長或減小樁間距對復合地基沉降變形的改善效果不佳。故筆者認為，水泥土攪拌樁復合地基的最佳樁長為8m，最佳樁間距為1.5m，這樣能夠達到技術上和經濟上的最優。

4 結語

本文以河北省某教學樓項目為工程依托，針對水泥土攪拌樁樁體參數（彈性模量、樁長、樁間距）對復合地基沉降變形的影響展開了深入探討，主要得到以下3 方面結論：

1）水泥土攪拌樁復合地基長度、寬度對其沉降變形影響程度不大，可采取單樁展開研究；

2）水泥土攪拌樁復合地基的沉降變形隨著樁體材料彈性模量和樁長的增大而減小，隨著樁間距的增加而增大；

3）水泥土攪拌樁復合地基的最佳樁長為8m，最佳樁間距為1.5m，這樣能夠達到技術上和經濟上的最優，研究成果可以為類似的軟土地區復合地基處理工程提供一定的理論指導。