基于沉管擠密法的濕陷性黃土地基加固效果分析

何子苗 薛 鵬 李松徽

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730072)

0 引言

隨著大批建筑從低層或多層向中高層建筑發(fā)展，由黃土地基濕陷量過(guò)大而引發(fā)的工程問(wèn)題也引發(fā)了社會(huì)廣泛的關(guān)注，我們國(guó)家對(duì)于黃土地基處理在國(guó)內(nèi)外都處于領(lǐng)先的水平，但依舊有許多工程事故的發(fā)生是由于黃土地基處理不夠完善所引起的。特別是對(duì)怎樣更好的處理大厚度自重濕陷性黃土，仍存在著諸多問(wèn)題等待更好的解決[1]。劉忠良[2]等人用素土擠密樁處理南水北調(diào)工程中的某黃土濕陷性地基，并將其與其他的濕陷性處理方案進(jìn)行了一系列對(duì)比，發(fā)現(xiàn)素土擠密樁的經(jīng)濟(jì)性好，工期較短，而且對(duì)環(huán)境影響較少；王引平[3]對(duì)自重濕陷性黃土地基的處理則是結(jié)合了擠密樁法、強(qiáng)夯法、墊層法，試驗(yàn)結(jié)果表示運(yùn)用多種處理方式同時(shí)處理，可以相對(duì)完善地解決黃土地基濕陷問(wèn)題；何永強(qiáng)[4]基于圓孔擴(kuò)張理論對(duì)擠密樁復(fù)合地基進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了樁間土體的應(yīng)力在成樁的過(guò)程中的變化機(jī)制，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，探討了素土擠密樁、灰土擠密樁、生石灰擠密樁復(fù)合地基的樁間擠密強(qiáng)度和整體復(fù)合地基的承載能力。

沉管擠密法被大量運(yùn)用到濕陷性黃土地基加固處理中，是由于它具有裝備簡(jiǎn)易、施工快速、承載能力高等特點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程，采用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行有限元模擬，對(duì)經(jīng)沉管擠密法加固處理后的地基沉降量以及樁體位移進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而探討在沉管擠密樁處理技術(shù)下，不同的樁間距所引起的復(fù)合地基加固效應(yīng)。

1 項(xiàng)目依托工程

以蘭州某大厚度回填黃土場(chǎng)地為研究對(duì)象，場(chǎng)地總面積為45 928.67 m2，地覆蓋層厚度為46.0 m～49.0 m，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地下水埋偏深，且地下水位相對(duì)穩(wěn)定，埋深分布34.00 m～46.1 m，對(duì)應(yīng)的水位標(biāo)高1 870.758 m～1 887.791 m，地下水隨季節(jié)變化，枯水和豐水季節(jié)之間變化幅度在1 m～2 m之間。建筑用地濕陷等級(jí)判定為Ⅳ級(jí)，有分布不均勻的濕陷性填土、較大厚度的濕陷性黃土狀粉土，極有可能發(fā)生嚴(yán)重的濕陷下沉。使用沉管擠密樁法對(duì)地基進(jìn)行加固，可降低地基的濕陷性沉降，消除一定厚度的黃土濕陷性，提高復(fù)合地基的承載能力。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件MIDAS/GTS對(duì)處理的復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值模擬，從樁頂沉降量、樁身位移、地基周邊沉降與受力情況和樁體應(yīng)力等方面深入研究不同樁間距對(duì)沉管擠密樁的受力和沉降量得影響。對(duì)于土體的模擬分析，考慮到土體的彈塑性、非線性和流變性等性質(zhì)，土體本構(gòu)模型選擇非線性材料的Mohr-Coulomb模型。采用的樁型是素土擠密樁，填土采用了增濕的素土作為樁體材料，分層壓實(shí)，它的強(qiáng)度相對(duì)擠密后的土體來(lái)說(shuō)要強(qiáng)很多，故而在土體破壞前不會(huì)發(fā)生破壞，所以對(duì)狀體的模擬分析選用線性材料的彈性模型，見(jiàn)圖1。

2.2 模型參數(shù)選擇

內(nèi)摩擦角以及粘聚力可依據(jù)王林浩的內(nèi)摩擦角和粘聚力隨含水率和干密度變化的線性趨勢(shì)方程來(lái)進(jìn)行估算。飽和重度由式(1)確定：

(1)

其中，e為空隙比；rs為土體浮重度；rw為水的重度。膨脹角取0.1°，土體的泊松比為 0.30，樁體材料的泊松比為 0.25。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果，其他土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原始地基模型的參數(shù)

沉管擠密樁復(fù)合地基模型擬定大小為(12×15×20) m3的矩形區(qū)域，模型樁的參數(shù)選用壓縮模量：35 MPa、含水率：17.65%、重度：17.6 kN/m3、孔隙比：0.79、飽和度：62.28。加載板為半徑0.5 m的鋼板，彈性模量為2.1×108kN/m2，重度為78.9 kN/m3。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 復(fù)合基地承載力模擬

選取與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，樁徑取0.9 m、樁間距S取1.1 m，樁長(zhǎng)選取18 m來(lái)對(duì)沉管擠密樁模擬計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)Φ=1 155 mm的加載板在中樁樁心上進(jìn)行分級(jí)加載，加載值與試驗(yàn)區(qū)加載值相同。通過(guò)模擬運(yùn)算得到其圖2的沉降曲線。從圖2中觀察到，當(dāng)加載值為53 kN，131 kN,210 kN時(shí)，其對(duì)應(yīng)的沉降量分別為2.30 mm，6.04 mm，10.89 mm，該曲線能與試驗(yàn)區(qū)的樁身沉降量曲線對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了模型及參數(shù)的可行性。

3.2 不同樁間距對(duì)沉管擠密樁的影響

為了進(jìn)一步計(jì)算不同樁間距的沉管擠密樁的受力和沉降情況，取樁徑為0.9 m、樁間距S分別為0.9 m,1.1 m,1.3 m，加載板直徑為1.05S來(lái)模擬對(duì)改變樁間距對(duì)沉管擠密樁承載能力、周邊位移和樁身應(yīng)力應(yīng)變的影響。

通過(guò)模擬得出，當(dāng)外加荷載為210 kN時(shí)，樁間距S=0.9 m時(shí)，其沉降量為9.60 mm；當(dāng)S=1.1 m時(shí)，沉降量為10.89 mm；當(dāng)S=1.3 m時(shí)，沉降量為12.29 mm(見(jiàn)圖3)。沉降量均隨加載值增大而增加，且樁間距越大其變化趨勢(shì)越趨近于線性增大。并且隨著樁間距的變大，承壓樁的最大沉降量不斷增大，增加的幅值亦隨樁間距的增大同步增大。

圖4，圖5分別給出了距離承壓樁不同距離的場(chǎng)點(diǎn)的沉降量變化情況。Y方向代表試驗(yàn)區(qū)擠密樁的橫排方向，X方向與之位于同一水平面且垂直。可以看出，隨著場(chǎng)地位置遠(yuǎn)離受力樁，場(chǎng)點(diǎn)沉降隨距離呈指數(shù)關(guān)系衰減，在3 m距離處，210 kN荷載對(duì)應(yīng)的X方向、Y方向的沉降分別為0.9 mm，1 mm，約為受力樁沉降的8%，9%。此后，隨水平方向距離增加，場(chǎng)點(diǎn)沉降基本趨于穩(wěn)定。也就是說(shuō)，沉管擠密樁的影響范圍最大為3倍樁間距。在承壓樁位置處，大間距的擠密樁具有較大的位移沉降，小間距的擠密樁位移沉降則較小。

由圖6我們可以得到不同荷載作用下的樁身位移，在同一荷載作用下，隨樁間距的增加，樁身相對(duì)位移越小，在樁頂處有每一級(jí)荷載引起的最大位移，在樁的下部位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定。樁身深度小于2 m時(shí)，沉降量隨樁身深度變化的變化速率極大，且樁間距越小其變化速率越大。并且從圖7中也可以看出，承壓樁主要承載區(qū)域?yàn)闃渡? m范圍內(nèi),隨著荷載的增大，壓強(qiáng)衰減的越快。由此可見(jiàn)，對(duì)沉管擠密樁，樁身的上半部分主要承擔(dān)了復(fù)合地基的荷載及剛度變化作用。

4 結(jié)語(yǔ)

1)樁身沉降量均隨加載值增大而增大，且樁間距越大其沉降量變化趨勢(shì)越趨近于線性增大。隨著樁間距增加，承壓樁的最大沉降量不斷增大；增加幅值隨樁間距的增大而增大。

2)外加荷載作用下，樁體位移均呈指數(shù)關(guān)系衰減，樁體的上半部分位移值較大。復(fù)合地基的荷載及剛度變化作用主要由樁身的上半部分1/3區(qū)域承擔(dān)。

3)大間距的擠密樁具有較大的位移沉降，小間距的擠密樁位移沉降則較小。且隨著場(chǎng)地位置遠(yuǎn)離受力樁，場(chǎng)點(diǎn)沉降隨距離呈指數(shù)關(guān)系衰減，場(chǎng)點(diǎn)沉降后期基本趨于穩(wěn)定。從而發(fā)現(xiàn)，沉管擠密樁的有效作用范圍是3倍樁間距。