重力式擋墻樁基中樁型對地基沉降的影響分析

符傳立

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東廣州510060）

1 概況

重力式擋土墻在水利堤岸工程中運用廣泛，其對地基承載力有一定的要求，當承載力遠不能滿足要求時，可通過施打樁基進行處理。水泥土攪拌樁和預(yù)制方樁在地基處理中應(yīng)用廣泛，兩者都為復(fù)合地基，與原狀地基土一起承擔上部荷載。當樁徑和樁距布置合理時，兩種樁基都能使處理后的地基滿足承載力要求。而兩種樁型對地基沉降的控制情況如何，需做進一步分析。

水泥土攪拌法是加固飽和軟黏地基的一種成熟方法，它利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特質(zhì)的深層攪拌機械，在地基中就地將軟土和固化劑（漿液狀或粉體狀）強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一些列物理-化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的優(yōu)質(zhì)地基。現(xiàn)場水泥土攪拌樁是用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械將固化劑與軟土地基強制攪拌，所形成的水泥土狀體。它是一種介于剛性樁和散體材料樁之間的一種可壓縮性樁[1，2]。

針對水泥土攪拌樁復(fù)合地基對地基沉降的影響，彭振宇[3]對施工完成后的路基沉降進行觀測，結(jié)果表明水泥攪拌樁可有效控制新舊路基差異沉降；魏士淇[4]結(jié)合ANSYS軟件對載荷作用下水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降進行數(shù)值模擬計算，得出控制復(fù)合地基沉降量的影響因素；孫鵬[5]結(jié)合復(fù)合地基沉降常用計算方法，分析公式的適用情況及其制約性，并通過沉降觀測找出水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降變形隨樁長和樁距變化的規(guī)律。

以珠江邊某新建堤岸為應(yīng)用實例，結(jié)合有限差分分析法，分析不同樁型（水泥土攪拌樁、預(yù)制方樁）作為擋墻樁基時，其地基沉降的差異情況，供工程人員參考。

2 樁基設(shè)計

2.1 地質(zhì)條件

選取廣州珠江邊某新建堤岸作為研究對象，地質(zhì)條件如表1所示。

表1 地質(zhì)條件

2.2 樁基設(shè)計

2.2.1 樁距設(shè)計

重力式擋土墻的地基承載力要求一般為100～120 kPa，選取100 kPa復(fù)合地基承載力要求作為樁基布置的控制條件。水泥土攪拌樁樁徑為0.5 m，單樁承載力要求為80 kN；預(yù)制方樁選用0.25×0.25 m方樁，單樁承載力要求為90 kN。根據(jù)JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》第7.1.5條，復(fù)合地基承載力特征值（kPa）：

式中：λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；m——面積置換率；Ra——單樁承載力，kN；Ap——樁的截面積，m2；β——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa。

對于水泥土攪拌樁，單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=1；單樁承載力取Ra=80kN；樁截面積Ap=∏d2/4=3.14×0.52/4=0.196 25m2；樁間土發(fā)揮系數(shù) β=0.5；處理后樁間土承載力特征值 fsk=70kPa。通過計算可得水泥土攪拌樁面積置換率m=0.174 4，由m=，正方形布樁de=1.13s，計算得s=1.059 m，取樁間距s=1.0 m。

對于250×250預(yù)制方樁，單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=0.8；單樁承載力Ra=90kN；樁截面積Ap=1×1=0.25×0.25=0.062 5 m2；樁間土發(fā)揮系數(shù)β=0.9；處理后樁間土承載力特征值 fsk=70 kPa。通過計算可得預(yù)制方樁面積置換率m=0.034 0，由 m=，正方形布樁 de=1.13s，計算得樁間距s=1.35 m。

2.2.2 樁長設(shè)計

根據(jù)規(guī)范JGJ79-2012第7.1.6條，單樁豎向承載力計算公式為：

式中：μp——樁的周長，m；n——樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；αp——樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)；qsi——樁周第 i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi——樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；qp——樁端土端阻力特征值，kPa。

根據(jù)規(guī)范JGJ79-2012第7.3.2條，由樁身材料強度確定的單樁承載力公式：

式中：η——樁身強度折減系數(shù)；fCU——與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長為0.07 07 m的立方體，也可采用邊長為0.05 m的立方體）在標準養(yǎng)護條件下90 d齡期的立方體抗壓強度平均值，kPa。

工程樁頂高程為地面下7.1 m，根據(jù)地勘資料，水泥土攪拌樁、預(yù)制方樁的樁側(cè)阻力特征值計算如表2，3所示。

表2 樁側(cè)阻力特征值表

由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁豎向承載力特征值為：

由樁身強度控制的單樁承載力為：

水泥攪拌樁單樁承載力特征值取80 kN，計算樁長為4 m。為減少變量對試驗結(jié)果的影響，攪拌樁長度取與預(yù)制方樁相同長度，樁長為6 m。

由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁豎向承載力特征值為

預(yù)制方樁單樁承載力特征值取90 kN，樁長取6 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 基礎(chǔ)模型

根據(jù)樁基設(shè)計，水泥土攪拌樁和預(yù)制方樁采用矩形布置，樁距分別為1 m和1.35 m，取1/4平面作為研究對象。土體和樁基采用實體模型（zone），其中土體定義為摩爾庫倫模型，根據(jù)地勘資料及《工程地質(zhì)手冊》參數(shù)建議值，土層參數(shù)如表3所示。樁基采用彈性模型，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]，水泥土攪拌樁28 d后無側(cè)限抗壓強度為1.0 MPa；水泥攪拌樁的水泥摻入量取15%，相關(guān)參數(shù)如表4所示。預(yù)制方樁混凝土強度等級為C30，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]，相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表3 土層模型參數(shù)

表4 樁基模型參數(shù)

3.2 邊界條件與接觸面

巖土模型底限制豎直方向位移，巖土模型兩側(cè)限制水平方向位移。根據(jù)對一些工程實例的模擬試驗研究，水泥土樁的樁土界面比較粗糙，接觸面上的摩擦特性較好，接觸面上的c，φ值取與樁相鄰?fù)翆拥腸，φ值的0.8倍；預(yù)制樁樁土接觸面上的c，φ值取與相鄰?fù)翆拥腸，φ值的0.5倍左右。

3.3 計算結(jié)果

模擬無樁基情況下的土層應(yīng)力平衡（前期固結(jié)）后，將樁基位置土層移除，在地面標高以上生成樁基模型（彈性模型），并通過改變樁基模型豎直位置的方式“打入”樁基模型。樁頂處地面施加100 kPa均布荷載，模擬上部擋土墻荷載，得到水泥土攪拌樁及預(yù)制方樁處理后地基的沉降情況。水泥土攪拌樁、預(yù)制方樁處理后的地基沉降量如表5。

表5 復(fù)合地基樁間土樁頂沉降量

4 結(jié)論

1）從模擬結(jié)果可以看到，在承載力要求相同（100 kPa）的情況下，預(yù)制方樁處理后的復(fù)合地基樁間土在地面深度0 m，2 m，4 m處沉降量分別為0.088 9 m，0.035 6 m，0.010 7 m；水泥攪拌樁處理后的復(fù)合地基樁間土在地面深度0 m，2 m，4 m處沉降量分別為0.193 9 m，0.068 7 m，0.024 5 m，預(yù)制方樁對沉降的控制明顯好于水泥攪拌樁。

2）水泥攪拌樁處理后的表層樁間土沉降量和樁頂沉降量分別為0.193 9 m和0.186 8 m，水泥攪拌復(fù)合地基的樁、土沉降差為0.007 1 m；預(yù)制方樁處理后的表層樁間土沉降量和樁頂沉降量分別為0.088 9 m和0.052 5 m，預(yù)制方樁復(fù)合地基的樁、土沉降差為0.036 4 m?？梢钥吹?，水泥攪拌復(fù)合地基的樁、土沉降差明顯小于預(yù)制方樁復(fù)合地基，這與水泥土攪拌樁相對于預(yù)制方樁彈性模量更小，是一種柔性樁相符合。SL379-2007水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》對土質(zhì)地基上擋土墻地基最大沉降量要求為不宜超過0.15 m。由于現(xiàn)場施工中還會進行褥墊層回填碾壓等措施，因此兩種復(fù)合地基碾壓后的地基沉降量基本可以達到規(guī)范要求。

3）從樁、土沉降差可以看出，復(fù)合地基需要在上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置剛度較大的褥墊層或基礎(chǔ)，以平衡樁、土之間的沉降差，其中剛性樁相對柔性樁對褥墊層、基礎(chǔ)的剛度要求更大。

4）在對地基沉降要求比較大的工程，如市政道路一側(cè)的堤岸擋墻、擋墻與過河天橋、人行步梯相交的節(jié)點設(shè)計中，現(xiàn)場條件允許的情況下，建議施打預(yù)制方樁，以較好地控制堤頂沉降。