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(chǔ),直接關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)的建設(shè)和服役期間的安全性。隨著城市化進程的迅猛發(fā)展,基礎(chǔ)建設(shè)不斷擴張,結(jié)構(gòu)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(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構(gòu)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(jié)構(gòu)開裂,嚴重的甚至會整體傾覆和倒塌[2-3],給基礎(chǔ)施工增加了施工難度[4]?？梢姳匾募庸檀胧┦翘幚碥浫醯鼗闹匾侄?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(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測開展。在模型試驗方面,李鳳云[5]通過室內(nèi)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?；谀Ｐ驮囼?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(shù)中的可行性。曾帥[7]通過數(shù)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(jié)合水泥攪拌樁復(fù)合加固措施后復(fù)合地基的力學響應(yīng)規(guī)律。依托某工程實例,陳忠云[8]通過數(shù)值模擬和實測值沉降數(shù)據(jù)進行對比,研究了采用水泥攪拌樁復(fù)合路基的優(yōu)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(fù)合路基在加載過程中的沉降等響應(yīng)規(guī)律。周盛全[10]開展了水泥-粉煤灰攪拌樁(CFMP)復(fù)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(yīng)力傳遞特性。通過開展CFG樁和樹根樁單樁的現(xiàn)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(guī)律。胡瑞豐[14]利用ABAQUS數(shù)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(gòu)筑物將不可避免的建造在軟弱地基上,將給設(shè)計和施工帶來更大的挑戰(zhàn),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(jié)加固后復(fù)合地基參數(shù)計算方法。然后,通過數(shù)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(jié)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(yīng)將軟土地基連接成整體,改變地基原有物理化學屬性,變?yōu)榫哂兴€(wěn)定性、具有一定承載力和強度的優(yōu)質(zhì)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(qū)整體簡化

將攪拌樁作為一個均質(zhì)的加固區(qū)進行考慮,按復(fù)合地基理論計算得到加固區(qū)的復(fù)合模量Esp和滲透系數(shù)ksp:

Esp=mEp+(1-m)Es

(1)

ksp=mkp+(1-m)ks

(2)

式中:Esp為加固區(qū)的復(fù)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(qū)的復(fù)合滲透系數(shù);ks為軟土地基的滲透系數(shù);kp為攪拌樁樁身的滲透系數(shù)。

1.1.2 加固區(qū)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(chǔ)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(shù)按地基土的參數(shù)進行選取,而樁條帶的參數(shù)(包括等效模量和等效滲透系數(shù),在面積置換率較小并且攪拌樁滲透系數(shù)比樁周土滲透系數(shù)小1～2個數(shù)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(fù)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(jù)設(shè)計要求制造成具有可變粘結(jié)強度的樁型,按設(shè)計要求施工樁,通過樁-樁間土-褥墊層共同作用以形成復(fù)合地基,滿足設(shè)計對地基承載力的要求。

按復(fù)合地基理論計算得到加周區(qū)的復(fù)合模量Esp和滲透系數(shù)ksp。大量的研究表明攪拌樁樁身的滲透系數(shù)kp比樁間土滲透系數(shù)小1～2個數(shù)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(fù)合滲透系數(shù)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(jié)合規(guī)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(jù)公式(1)、表1和表2并結(jié)合具體土層參數(shù)可分別計算得到加固區(qū)的復(fù)合模量。

表2 CFG樁計算參數(shù)

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(shù)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(yōu)點,可以很好模擬結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)(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?qū)?yīng)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(cè)面內(nèi)各節(jié)點沿X方向位移,即TX=0;(2)Y方向,固定前后兩側(cè)面內(nèi)各節(jié)點沿Y方向位移,即TY=0;(3)Z方向,固定底面內(nèi)各節(jié)點沿X、Y和Z方向位移,即TX=TX=TZ=0。

3 計算結(jié)果

經(jīng)過數(shù)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(shù)據(jù)及基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),見表3。實測值是根據(jù)某工程軟弱地基處理區(qū)段的監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)。由表可知,復(fù)合地基沉降數(shù)據(jù)總體呈現(xiàn)出以下規(guī)律:復(fù)合模量計算方法>加固區(qū)樁土條帶分算簡化方法>CFG樁>實測數(shù)據(jù)。

表3 數(shù)值模擬計算結(jié)果與沉降數(shù)據(jù)

受自重影響,加固后的復(fù)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(fù)合地基的沉降逐漸增大,并非呈現(xiàn)出線性增大的變化趨勢。對比數(shù)值模擬中采用復(fù)合模量計算方法和加固區(qū)樁土條帶分算簡化方法得到加固后復(fù)合地基的參數(shù)時,加固區(qū)樁土條帶分算簡化方法計算結(jié)果與實測值誤差較小為0.64,優(yōu)于采用復(fù)合模量計算方法計算結(jié)果誤差。采用CFG樁加固地基后其符合地基沉降值小,結(jié)果更接近實測值,建議工程中若滿足條件優(yōu)先選用CFG樁加固。

4 結(jié)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(fù)合地基參數(shù)求解進行了深入分析,然后通過數(shù)值模擬對加固后復(fù)合地基沉降變形開展研究,得到主要結(jié)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(fù)合地基參數(shù)計算方法,為類似加固軟弱地基加固效果和沉降預(yù)測提供借鑒。

(2)通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),采用CFG樁加固后復(fù)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(qū)樁土條帶分算簡化方法計算復(fù)合地基的參數(shù)精度高,與實際工程誤差小。

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