排澇泵站基坑三軸攪拌樁變形規律研究

徐 輝

(安徽省宣城市宣州區水利局，安徽 宣城 242000)

0 引 言

三軸攪拌樁具有強度高、抗滲性好等優點，而且其施工工期較短，具有一定的經濟性，已被廣泛應用于基坑工程中。三軸攪拌樁的力學性能和變形特性是影響其穩定性的主要因素。

近年來，許多專家學者針對以上特性開展了相關研究。郭斌等[1]以某盾構隧道為研究對象，基于有限元模型，分析了三軸攪拌樁加固條件下，隧道及地面的變形規律，研究了三軸攪拌樁的加固效果。李鵬等[2]以某地基坑工程為研究背景，提出一種新型的三軸攪拌樁支護方法，分析其在軟土地基中的力學性能和經濟實用性，結果表明該方法的可行性良好。于占福等[3]以某軟土基坑為研究對象，對比分析了三軸攪拌樁和雙軸攪拌樁的加固效果，結果表明兩種攪拌樁各具優勢，三軸攪拌樁的加固效果較好，而雙軸攪拌樁的抗滲效果較好。李煥容等[4]以某道路工程為研究背景，提出高壓旋噴樁和SMW工法相結合的施工方法，基于監測數據，分析了該加固效果下樁身的變形規律。蘇秦等[5]以某地鐵車站為研究對象，基于室內試驗，分析了不同注漿壓力、水泥用量下三軸攪拌樁的抗壓強度變化規律。

本文以宣城市重點澇區排澇泵站為研究背景，對其進行有限元分析，研究不同深度下三軸攪拌樁的力學性能及水平位移變化規律，并分析水泥與型鋼對三軸攪拌樁穩定性的貢獻情況。

1 工程概況

本文以宣城市重點澇區排澇泵站為研究背景，泵站主體結構及進出水閘、箱涵結構均采用三軸水泥攪拌樁復合地基處理。考慮到該工程的基坑長度較大，將基坑分隔為1#、2#、3#。考慮到滲透穩定的安全性，避免結構面層的接觸滲流和繞滲，在箱涵兩側設C30鋼筋砼截滲墻，并在堤身下箱涵底板結合施工期基坑圍封結構設置一道高壓旋噴樁防滲墻，打穿粉砂層，形成截水封閉。該工程所在地區的工程地質條件見表1。

表1 工程地質條件

2 模型的建立

本研究以排澇泵站基坑的三軸攪拌樁為研究對象，采用摩爾-庫倫彈塑性模型進行分析，計算其變形規律和受力特征。采用內支撐beam單元對三軸攪拌樁進行模擬，考慮其內部型鋼和水泥對樁身位移及應力的影響，分別采用彈性本構模型和摩爾-庫倫彈塑性模型進行模擬，并在模型的邊界施加約束，以控制其變形情況，模擬基坑開挖的過程。當開挖至底部時，計算此時的樁身位移及應力變化情況。

3 結果分析

3.1 力學及位移變化分析

為分析三軸攪拌樁的變形規律，首先分析其樁身水平位移情況，并將計算結果與規程的理論計算結果進行對比，基坑1#三軸攪拌樁的水平位移-深度曲線見圖1。由圖1可知，數值模擬的水平位移與理論計算的水平位移變化趨勢具有一致性，隨著深度的增大，樁身的水平位移呈現先增大后減小的趨勢，當深度為-6.5 m時，理論計算值與數值模擬值有最大位移，分別為27.3 、17.15 mm。三軸攪拌樁理論計算值的水平位移顯著大于其數值模擬值，當深度較小和較大時，二者之間的差距較小；當深度為-15 m時，三軸攪拌樁水平位移的理論計算值與數值模擬值近似相等；當深度為-6.5 m時，二者之間的水平位移差距最大，其差值為10.15 mm。這是由于規程對于三軸攪拌樁的計算主要將三軸攪拌樁視為一個整體，以此為基礎計算樁身位移；而本研究分別將型鋼和水泥采用不同的模型進行模擬，突出了以上兩種材料對三軸攪拌樁穩定性的影響，在三軸攪拌樁結構中，水泥和型鋼能有效提升結構的剛度，抑制其水平位移。考慮到水泥與型鋼對三軸攪拌樁剛度的提升更符合實際工程的情況，采用該方法計算得出的水平位移更小。

圖1 水平位移-深度曲線

圖2為基坑1#三軸攪拌樁數值模擬與理論計算的剪力-深度對比圖。由圖2可知，隨著深度的增大，三軸攪拌樁的剪力呈先增后減小再增大的趨勢。當深度為-6.5 m左右時，三軸攪拌樁的剪力值為0 ，根據圖1可知，此時三軸攪拌樁有最大水平位移。當深度為-9 m時，三軸攪拌樁的剪力值最大，數值模擬與理論計算的剪力值分別為349、473 kN。當深度大于-6.5 m時，三軸攪拌樁所受的剪力為負，此時理論計算值的三軸攪拌樁剪力絕對值大于數值模擬值；當深度為-6.5 m～-7.5 m、-11.5～-13 m時，此時理論計算值的三軸攪拌樁剪力絕對值小于數值模擬值；當位于三軸攪拌樁的中部時(-8～-13 m)，理論計算值的三軸攪拌樁剪力值較大。

綜合而言，采用理論計算得出的三軸攪拌樁大部分區域的剪力值均大于數值模擬，這是由于本研究數值模擬分別將型鋼和水泥采用不同的模型進行模擬，突出了以上兩種材料對三軸攪拌樁穩定性的影響。當深度為-9 m時，理論計算值與數值模擬值差距最大，其差距為28%，說明型鋼和水泥對三軸攪拌樁的剪力影響顯著，尤其對于三軸攪拌樁中部影響較大。在實際工程中，應考慮以上兩種材料對三軸攪拌樁所受剪力的影響。

圖2 剪力-深度曲線

圖3為基坑1#三軸攪拌樁數值模擬與理論計算的彎矩-深度對比圖。由圖3可知，數值模擬的水平位移與理論計算的彎矩變化趨勢具有一致性，隨著深度的增大，三軸攪拌樁的彎矩呈先增大后減小再增大的趨勢。當深度為-5.5 m時，數值模擬的彎矩值最大，為854 kN·m；當深度為-6.5 m時，理論計算的彎矩值最大，為1 403 kN·m。理論計算的彎矩最大值遠大于數值模擬，其差距為36.6%，這是由于本研究數值模擬分別將型鋼和水泥采用不同的模型進行模擬，突出了以上兩種材料對三軸攪拌樁穩定性的影響。對比水平位移和剪力而言，理論計算與數值模擬在彎矩值的差距最大，說明水泥和型鋼對三軸攪拌樁的彎矩影響最為顯著，尤其對于三軸攪拌樁的中部，該段數值模擬值與理論計算值的差距最大。在實際工程中，該段更需要考慮水泥和型鋼對三軸攪拌樁穩定性的影響。

圖3 彎矩-深度曲線

3.2 滑動摩擦系數對樁身位移的影響

水泥在三軸攪拌樁結構中主要起黏結作用，使型鋼表面的摩擦力增大，提升結構的穩定性，所以滑動摩擦系數(μ)是影響三軸攪拌樁結構穩定性的主要因素之一。本節研究不同滑動摩擦系數下，三軸攪拌樁樁身位移的變化規律。

不同滑動摩擦系數下，基坑1#三軸攪拌樁的水平位移-深度曲線見圖4。由圖4可知，隨著深度的增大，樁身的水平位移呈現先增大后減小的趨勢。當深度為-6.5 m時，3種滑動摩擦系數下的三軸攪拌樁均有最大位移，其值分別為19.3、22.7、24.6 mm。滑動摩擦系數與三軸攪拌樁的樁身最大水平位移呈負相關，當滑動摩擦系數越大時，三軸攪拌樁的水平位移越小，說明增大滑動摩擦系數對于控制三軸攪拌樁的變形效果顯著。這是由于當滑動摩擦系數越大時，水泥與型鋼之間的摩擦力越大，其間的黏結更為緊密，增大了結構的穩定性。當深度處于三軸攪拌樁的中部時，不同滑動摩擦系數間的三軸攪拌樁水平位移差距較大，說明增大三軸攪拌樁的滑動摩擦系數能有效控制其中部的變形情況，水泥與型鋼的相互作用對三軸攪拌樁的穩定性具有一定的貢獻。在實際工程中，應考慮以上兩種材料對結構變形的影響。

圖4 不同滑動系數下水平位移-深度曲線

3.3 被動區加固影響分析

本研究的基坑2#主要采用三軸攪拌樁進行支護，在其被動區采用水泥土工格柵進行加固。為研究被動區加固條件下的三軸攪拌樁樁身變形規律，其最大水平位移出現的位置(H1)與開挖深度(H)之間的關系見圖5。

圖5 最大水平位移出現的位置與開挖深度關系

由圖5可知，最大水平位移出現的位置與開挖深度之間存在一定的線性相關關系，隨著開挖深度的增大，三軸攪拌樁最大水平位移對應的深度逐漸增大。根據分析可知，三軸攪拌樁的最大水平位移主要出現在樁身的中部，此時最大水平位移對應的深度小于開挖深度。而對被動區進行加固后，三軸攪拌樁最大水平位移對應的深度出現上移現象，此時最大水平位移對應的深度大于開挖深度，說明采用水泥土工格柵對基坑的被動區進行加固對三軸攪拌樁的變形情況有一定的影響。

為分析采用水泥土工格柵對基坑的被動區進行加固對三軸攪拌樁的變形情況，對比分析有無被動區加固的三軸攪拌樁的水平位移變化情況，其水平位移-深度曲線見圖6。由圖6可知，有無被動區加固的三軸攪拌樁的水平位移變化趨勢具有一致性，隨著深度的增大，樁身的水平位移呈現先增大后減小的趨勢。當深度為5.1 m時，理論計算值與數值模擬值有最大位移，分別為26.1、34.2 mm。當深度較小時，有無被動區加固的三軸攪拌樁的水平位移差距較小；隨著深度的增大，當出現最大水平位移時，二者之間的差距逐漸增大。對被動區進行加固的三軸攪拌樁的水平位移明顯小于未加固的水平位移，說明采用水泥土工格柵對基坑的被動區進行加固能有效改善三軸攪拌樁的變形情況。在實際工程中，可采用以上加固方法來控制三軸攪拌樁的變形情況。

圖6 有無被動區加固的水平位移-深度曲線

4 結 論

本文以宣城市重點澇區排澇泵站為研究背景，對其進行有限元分析，研究不同深度下三軸攪拌樁的力學性能及水平位移變化規律，并分析水泥與型鋼對三軸攪拌樁穩定性的貢獻情況。結論如下：

1) 三軸攪拌樁理論計算值的水平位移顯著大于其數值模擬值，當深度較小和較大時，二者之間的差距較小。當深度為-15 m時，三軸攪拌樁水平位移的理論計算值與數值模擬值近似相等；當深度為-6.5 m時，二者之間的水平位移差距最大，其差值為10.15 mm。這是由于在三軸攪拌樁結構中，水泥和型鋼能有效提升結構的剛度，抑制其水平位移。

2) 型鋼和水泥對三軸攪拌樁的剪力影響顯著，尤其對于三軸攪拌樁中部影響較大。在實際工程中，應考慮以上兩種材料對三軸攪拌樁所受剪力的影響。

3) 被動區進行加固的三軸攪拌樁的水平位移明顯小于未加固的水平位移，說明采用水泥土工格柵對基坑的被動區進行加固能有效改善三軸攪拌樁的變形情況。在實際工程中，可采用以上加固方法來控制三軸攪拌樁的變形情況。