水泥砂漿樁復(fù)合地基數(shù)值分析

郭 鑠, 余勝偉

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015; 2.湖南省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限公司， 湖南 長沙 410015)

我國軟土分布范圍較廣，為滿足建筑物對承載力和工后沉降的嚴(yán)控要求，軟土地基須采取適當(dāng)加固措施以保證上部建筑安全穩(wěn)定。攪拌均勻的水泥砂漿樁能增加攪拌后地基土中粗顆粒含量，降低地基土塑性指數(shù)，改良加固土體的物理力學(xué)指標(biāo)等[1]，避免出現(xiàn)樁體在較高塑性指數(shù)的土質(zhì)中成樁困難、樁身質(zhì)量無法滿足要求等問題[2]。

Kwon等[3]將細(xì)砂和土按不同比例混合制成水泥土，通過室內(nèi)試驗(yàn)測試了水泥砂漿樁性能，結(jié)果表明不同土質(zhì)分別存在不同最優(yōu)摻砂率使得其干密度最大、抗壓強(qiáng)度最大、吸水率最小。Walker等[4]將黏土和細(xì)砂按不同配比混合，添加水泥作為固化劑制成水泥土砌塊對其強(qiáng)度、干縮性能和耐久性進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著摻砂量增加，水泥土砌塊強(qiáng)度增大、干縮變形減小，但耐久性能降低。范曉秋等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在10%水泥摻量條件下，摻砂量為15%時水泥土強(qiáng)度提升幅度最大。朱維倫[6]研究發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期增大，水泥砂漿樁強(qiáng)度增大。水泥砂漿樁對粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度加固效果優(yōu)于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。羅志生等[7]采用水泥砂漿攪拌樁加固向莆鐵路的軟土地基(粉質(zhì)黏土)，成樁28 d后隨機(jī)選取0.2%的樁進(jìn)行抽芯試驗(yàn)，抽芯結(jié)果表明其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于2.0 MPa，同時樁體圓勻、樁身均勻、凝體無松散現(xiàn)象。Borges等[8]就復(fù)合地基路基高度、樁身彈性模量和樁間距等因素對最大沉降的影響進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果表明隨著路基高度降低、樁身彈性模量增大和樁間距減小，復(fù)合地基最大沉降減小。

目前水泥砂漿樁加固機(jī)理的研究尚處于待完善階段，其數(shù)值模擬研究成果相對較少，本文根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合實(shí)際對水泥砂漿樁工程進(jìn)行數(shù)值模擬，為水泥砂漿樁在工程中的應(yīng)用提供數(shù)值分析和參考依據(jù)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

將干土、水、水泥和砂子按照一定比例拌和均勻，利用試模制成6個70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm不同條件下的標(biāo)準(zhǔn)試樣制備。試樣養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

從表1可看出，若單純采用水泥土攪拌樁，水泥摻入比達(dá)到25%時，90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大值為0.71 MPa，強(qiáng)度較低，說明僅增加水泥用量不易達(dá)到顯著增加強(qiáng)度的目的。但在水泥中摻入一定比例砂子，水泥砂漿樁試件強(qiáng)度可增加2.20～2.37倍，可大大提升攪拌樁加固地基的效果。

表1 水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果摻砂量/%水泥摻入比/%不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值/ MPa7 d14 d28 d90 d160.140.180.220.230200.250.300.380.42250.410.500.660.71

續(xù)表1摻砂量/%水泥摻入比/%不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值/ MPa7 d14 d28 d90 d160.510.640.820.8630200.730.861.051.16250.911.151.571.69160.460.610.710.8340200.580.730.921.02250.881.101.451.57

2 數(shù)值分析

2.1 工程概況

項(xiàng)目為湖南某高速試驗(yàn)路段的軟基處理工程，處理工藝為水泥砂漿樁，正方形形式分布。設(shè)計樁長為10 m，間距為1.2 m，樁徑為0.5 m。根據(jù)上述室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，將水泥摻入比定為25%，砂子摻入比定為30%。樁側(cè)土體為黏土，樁底以下5 m土體為全風(fēng)化角閃巖，成礫砂狀，樁頂設(shè)置級配碎石墊層，厚度為0.6 m。

2.2 模型建立及邊界條件

由于實(shí)際工程為道路中心線左右對稱，為減少計算單元，建模取復(fù)合地基1/2實(shí)體。模型中樁及樁側(cè)土尺寸長度為120 m×24 m×10 m(長×寬×高)，樁側(cè)土體劃分為1 920(30×16×4)個單元，每根樁劃分為384(4×96)個單元；下臥層尺寸為120 m×24 m×5 m，模型單元體個數(shù)為800(20×10×4)個；碎石墊層設(shè)置為120 m×24 m×0.6 m(長×寬×高)，單元體個數(shù)為600(20×10×3)個；路基填筑部分高度8 m，單元體個數(shù)為960(20×12×4)，建立的模型如圖1所示。

圖1 模型示意圖

對模型Z=0面(即復(fù)合地基底面)約束其X、Y、Z這3個方向上的節(jié)點(diǎn)位移；對模型Y=0、Y=24兩個面限制其Y方向節(jié)點(diǎn)位移；對模型X=0、X=120處的兩個面限制其X方向節(jié)點(diǎn)位移。

2.3 接觸面積參數(shù)處理

復(fù)合地基建模關(guān)鍵為樁和樁側(cè)土體的建模，這是由于這部分受力位移情況相對復(fù)雜。路基工程樁與土之間剛度差別較大、位移表現(xiàn)不連續(xù)。若設(shè)置接觸面可反映樁和土體之間的剪切滑移或侵入行為，更好地模擬樁和樁側(cè)土的共同作用。接觸面模型為庫侖剪切模型，由一系列具有節(jié)點(diǎn)的三角形單元組成，接觸面所受的力由目標(biāo)方位決定。每個節(jié)點(diǎn)都有相關(guān)面積，當(dāng)其它網(wǎng)格面相接觸時，則會出現(xiàn)接觸面節(jié)點(diǎn)。在FLAC3D中，接觸面呈單面，根據(jù)接觸面節(jié)點(diǎn)和其它網(wǎng)格體絕對法向刺入量以及相對剪切速度來計算法向力和切向力大小[9]。法向剛度Kn=4.579×108N/m，切向剛度Ks=4.579×108N/m；結(jié)合工程實(shí)際情況取抗拉強(qiáng)度T=1×1010Pa，摩擦角=20.4°，黏結(jié)力c=37.3 kPa。根據(jù)現(xiàn)場取樣和室內(nèi)試驗(yàn)確定模型參數(shù)(見表2)。

表2 模型力學(xué)參數(shù)名稱彈性模量E/MPa泊松比μ黏聚力c/kPa摩擦角φ/ (°)容重γ/(kN·m-3)路基填筑60.000.1537.3020.419.3碎石墊層100.000.2570.0020.023.0黏土22.260.3042.1310.217.0全風(fēng)化巖78.000.2563.9019.321.0水泥砂漿樁128.000.20——17.5

2.4 計算結(jié)果及分析

計算得到的地基沉降圖、地基總應(yīng)力圖、水泥砂漿樁Z軸方向位移云圖、水泥砂漿樁Z軸方向應(yīng)力云圖見圖2～5。

從圖2～5可以看出，填筑完成后，地基最大沉降位于靠近路基中心復(fù)合地基頂面處，為119.8 mm；總應(yīng)力最大處在下臥土體層處，為4.98 MPa；總應(yīng)力最小處位于右側(cè)復(fù)合地基頂面處，為0.345 MPa。樁的最大沉降發(fā)生在最靠近地基中心線的樁頂處,為119.2 mm;樁在Z軸方向最大應(yīng)力為4.73 MPa，位于靠近地基中心線的樁底部位，最小應(yīng)力為1.82 MPa，位于遠(yuǎn)離地基中心線的樁頂部位。

圖2 地基沉降云圖

圖3 地基總應(yīng)力云圖

圖4 水泥砂漿樁Z軸方向位移云圖

圖5 水泥砂漿樁Z軸方向應(yīng)力云圖

根據(jù)復(fù)合地基計算結(jié)果，復(fù)合地基沉降占總沉降84.72%，可見提高樁的彈性模量、減少樁的壓縮變形、降低復(fù)合地基沉降能有效提高工程質(zhì)量。

3 影響因素分析

3.1 樁體彈性模量對樁頂沉降影響分析

根據(jù)復(fù)合地基受力原理[10-11]可知，樁彈性模量影響樁頂位移，從而影響到復(fù)合地基整體沉降，為了定性研究水泥砂漿樁彈性模量與其樁頂沉降之間的關(guān)系，將樁的彈性模量從50 MPa到300 MPa均分為6個方案進(jìn)行數(shù)值模擬，具體方案見表3所示。

表3 不同方案的彈性模量數(shù)值MPa1#2#3#4#5#6#50100150200250300

用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬得出水泥砂漿樁在同等土體條件下的樁頂沉降，在記錄數(shù)據(jù)時選取正中心的一排樁作為沉降研究對象，樁編號如圖6所示。取A、B節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相對位移沉降分析(見圖7)。

圖6 樁編號示意圖

圖7 相對位移示意圖

計算結(jié)果如表4所示，取1#、4#和7#這3根樁的樁頂沉降作為分析對象，如圖8所示。路基填筑及碎石墊層壓縮量在20.9 mm左右波動，隨樁的彈性模量改變波動幅度不大。隨著彈性模量增加，復(fù)合地基沉降隨之減少，其占總沉降比例隨之減少。通過分析可知，復(fù)合地基沉降在總沉降中占主要部分，提升樁的彈性模量能有效減少沉降。

表4 相對位移沉降彈性模量/MPaA/mmB/mmA、B相對沉降/mm復(fù)合地基沉降占總沉降比(B/A)/%50154.2133.121.186.32100140.1119.220.985.08150129.2108.420.883.90200121.2100.221.082.67250114.293.620.681.96300109.588.720.881.00

圖8 樁頂沉降與彈性模量關(guān)系

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，水泥砂漿樁的樁頂沉降隨著樁身彈性模量增大而減小，其減小的速率逐漸變小。因此水泥砂漿樁的彈性模量增加到一定程度后，對樁頂沉降減小效果不再明顯。

3.2 樁間距對復(fù)合地基沉降影響分析

樁間距的大小對復(fù)合地基沉降以及樁頂沉降也有重要影響，采用現(xiàn)場取土試驗(yàn)結(jié)果作為土體參數(shù)。在建立樁間距為1.1、1.2、1.3、1.5 m的模型時，因樁間距差異的影響，不同間距的復(fù)合地基平面尺寸略有不同，但不對結(jié)果分析造成影響。計算結(jié)果見表5，選擇樁間距1.3 m的模型為分析對象(見圖9)，分析結(jié)果見圖10。

表5 不同樁間距下復(fù)合地基與樁的最大沉降值樁間距/m復(fù)合地基最大沉降/mm樁最大沉降/mm1.1113.8110.11.2119.8115.21.3122.4118.51.5131.3126.8

圖9 1.3 m樁間距沉降云圖

圖10 復(fù)合地基樁間距和樁頂沉降之間的關(guān)系

從圖9可知，樁間距設(shè)置為1.3 m時，復(fù)合地基最大沉降為122.4 mm，樁最大沉降為118.5 mm。從圖10可以看出，水泥砂漿樁的樁頂沉降及復(fù)合地基沉降隨著樁間距增大而增大，所以，為了減小復(fù)合地基沉降量，應(yīng)適當(dāng)控制水泥砂漿樁的樁間距。

4 結(jié)論

1)在土體中同時摻入水泥和一定比例的砂子，能使水泥砂漿樁試件強(qiáng)度增加2.20～2.37倍。

2)水泥砂漿樁的樁頂沉降隨著樁身彈性模量增大而減小，但增加到一定階段，彈性模量對樁頂沉降減小不明顯。

3)水泥砂漿樁的樁頂沉降及復(fù)合地基沉降隨著樁間距增大而增大，因此可以縮短樁間距來降低復(fù)合樁基的沉降變形。