軟弱地基加固機理及其力學特性研究

董宇浩

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050227)

0 前言

地基是基建工程的基礎,直接關系到上部結構的建設和服役期間的安全性。隨著城市化進程的迅猛發展,基礎建設不斷擴張,結構的選址也將不得不面臨諸多難題,這其中具有代表性且難處理的就是軟弱地基。軟弱地基系指主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構成的地基。若處理不當會引起地基不均勻沉降[1],輕者導致結構開裂,嚴重的甚至會整體傾覆和倒塌[2-3],給基礎施工增加了施工難度[4]。可見必要的加固措施是處理軟弱地基的重要手段,如圖1所示。

圖1 軟弱地基加固

對于軟基加固處理方面的研究主要從理論分析、模型試驗、數值模擬和現場監測開展。在模型試驗方面,李鳳云[5]通過室內模型試驗,對水泥深層攪拌樁(濕法)的水泥土立方體抗壓強度的因素開展分析。基于模型試驗,成詩冰[6]分析了固體廢棄物制備的固化劑在水泥攪拌樁技術中的可行性。曾帥[7]通過數值模型模擬分別對比分析和揭示未施加加固措施和施加土工格柵結合水泥攪拌樁復合加固措施后復合地基的力學響應規律。依托某工程實例,陳忠云[8]通過數值模擬和實測值沉降數據進行對比,研究了采用水泥攪拌樁復合路基的優越性和表達式的可靠性。鄧友生[9]通過開展模型試驗,得到采用不同加固措施下復合路基在加載過程中的沉降等響應規律。周盛全[10]開展了水泥-粉煤灰攪拌樁(CFMP)復合地基模型試驗,揭示了加載過程中攪拌樁樁身及粉煤灰地基中的應力傳遞特性。通過開展CFG樁和樹根樁單樁的現場靜載試驗,王年香[11]研究了CFG樁和樹根樁單樁承載性狀。利用有限元計算軟件MIDAS GTS模擬了基坑開挖的施工過程,劉濤[12-13]研究了樁長和樁體彈模對CFG樁受力及變形的影響規律。胡瑞豐[14]利用ABAQUS數值模擬軟件對成孔過程中樁間土體的孔隙水壓力變化以及樁周土體位移進行了模擬分析。

當前,越來越多的新建構筑物將不可避免的建造在軟弱地基上,將給設計和施工帶來更大的挑戰,而地基作為重要載體其重要性不言而喻,亟待準確揭示不同加固措施加固軟弱地基后其力學特性。首先,分析和研究了水泥攪拌樁和CFG樁加固軟弱地基的機理,同時分析和總結加固后復合地基參數計算方法。然后,通過數值模擬建立三維分析模型,以開展采用水泥攪拌樁和CFG樁加固軟土地基力學特性研究,可為軟弱地基加固處理提供具有參考價值的結論,同時為類似工程提供指導。

1 軟基處理措施

1.1 水泥攪拌樁

水泥土攪拌法是加固飽和軟黏土地基的一種方法,主要是將水泥和石灰等材料作為固化劑的主要成分,然后通過攪拌機械將拌和固化劑和軟土攪拌均勻,通過兩者之間鏈式的物理化學反應將軟土地基連接成整體,改變地基原有物理化學屬性,變為具有水穩定性、具有一定承載力和強度的優質地基,以滿足實際工程對地基承載力的要求。當前,對于水泥攪拌樁加固地基的簡化分析方法包括。

1.1.1 加固區整體簡化

將攪拌樁作為一個均質的加固區進行考慮,按復合地基理論計算得到加固區的復合模量Esp和滲透系數ksp:

Esp=mEp+(1-m)Es

(1)

ksp=mkp+(1-m)ks

(2)

式中:Esp為加固區的復合模量;Es為軟土地基的模量;Ep為攪拌樁樁身模量;m為面積置換率;ksp為加固區的復合滲透系數;ks為軟土地基的滲透系數;kp為攪拌樁樁身的滲透系數。

1.1.2 加固區樁土條帶分算簡化方法

將攪拌樁地基簡化為樁條帶和土的條帶共同組成,也就是說沿線路走向上攪拌后的地基由樁條帶和樁間土帶組成的,在此基礎上將三維受力模式簡化為二維即平面上開展分析(見圖2)。采用該模式進行簡化計算時,樁間土條帶參數按地基土的參數進行選取,而樁條帶的參數(包括等效模量和等效滲透系數,在面積置換率較小并且攪拌樁滲透系數比樁周土滲透系數小1～2個數量級時,不考慮攪拌樁樁身的滲透)按下式進行近似確定:

(3)

(4)

式中:d為攪拌樁的樁間距。

1.2 CFG樁復合地基

CFG 樁即水泥粉煤灰碎石樁由碎石、石屑并添加一定量水泥加水進行拌和,然后根據設計要求制造成具有可變粘結強度的樁型,按設計要求施工樁,通過樁-樁間土-褥墊層共同作用以形成復合地基,滿足設計對地基承載力的要求。

按復合地基理論計算得到加周區的復合模量Esp和滲透系數ksp。大量的研究表明攪拌樁樁身的滲透系數kp比樁間土滲透系數小1～2個數量級,同時我國目前公路上攪拌樁處理的面積置換率一般不超過20%,對復合滲透系數貢獻較小。

以梅花布置和正方形布置的水泥攪拌樁和CFG樁為例,結合規范可計算得到樁徑0.5 m,樁距1.3 m的水泥攪拌樁的面積置換率13%,樁徑0.5 m,樁距2.5 m的CFG樁的面積置換率為3%。根據公式(1)、表1和表2并結合具體土層參數可分別計算得到加固區的復合模量。

表2 CFG樁計算參數

2 模型分析

為分析和揭示采用水泥攪拌樁和CFG樁加固軟土地基時下方隧道變形特性,論文采用Midas GTS NX 軟件建立三維分析模型。本次三維數值模擬計算里,土體采用實體單元修正莫爾庫倫模型,樁柱采用一維梁單元進行模擬,這兩種單元具有方便快捷等優點,可以很好模擬結構力學響應(見圖3)。

圖3 三維有限元模型圖

三維模型采用Midas中常用的標準約束模式,包括水平向對應的水平位移,底部的對水平和豎向位移固定約束,具體包括:(1)X方向,固定左右兩側面內各節點沿X方向位移,即TX=0;(2)Y方向,固定前后兩側面內各節點沿Y方向位移,即TY=0;(3)Z方向,固定底面內各節點沿X、Y和Z方向位移,即TX=TX=TZ=0。

3 計算結果

經過數值模擬計算得到采用水泥攪拌樁和CFG樁加固軟弱地基后沉降變形數據及基于現場實測數據,見表3。實測值是根據某工程軟弱地基處理區段的監測沉降數據。由表可知,復合地基沉降數據總體呈現出以下規律:復合模量計算方法>加固區樁土條帶分算簡化方法>CFG樁>實測數據。

表3 數值模擬計算結果與沉降數據

受自重影響,加固后的復合地基的沉降值隨觀測時間的增加而增大,在初始階段沉降值增加速率較大,然后逐漸降低,如當觀測時間0～25時間段沉降值增加了1.51 cm,175～200 d時間段沉降值增加了0.71 cm。隨著填土厚度的增大,復合地基的沉降逐漸增大,并非呈現出線性增大的變化趨勢。對比數值模擬中采用復合模量計算方法和加固區樁土條帶分算簡化方法得到加固后復合地基的參數時,加固區樁土條帶分算簡化方法計算結果與實測值誤差較小為0.64,優于采用復合模量計算方法計算結果誤差。采用CFG樁加固地基后其符合地基沉降值小,結果更接近實測值,建議工程中若滿足條件優先選用CFG樁加固。

4 結語

論文通過對水泥攪拌樁和CFG樁加固軟弱地基的加固機理開展研究,對加固復合地基參數求解進行了深入分析,然后通過數值模擬對加固后復合地基沉降變形開展研究,得到主要結論如下:

(1)通過對水泥攪拌樁和CFG樁加固軟弱地基機理進行分析,得到了復合地基參數計算方法,為類似加固軟弱地基加固效果和沉降預測提供借鑒。

(2)通過數值模擬與現場實測數據對比發現,采用CFG樁加固后復合地基的沉降值小于水泥攪拌樁后地基沉降值,其加固和控制變形效果較好。

(3)采用水泥攪拌樁加固軟弱地基時采用加固區樁土條帶分算簡化方法計算復合地基的參數精度高,與實際工程誤差小。

(4)通過分析沉降數據認為,軟弱地基加固后其沉降值會持續增加但速率會逐漸降低,應靜止一段時間待沉降穩定后方可開展后續施工,避免不均勻沉降的出現。