軟土地基水泥土擠密樁單樁承載特性及復(fù)合地基荷載傳遞規(guī)律研究

摘 要：針對水泥土擠密樁的承載特性以及變形沉降問題，文章以廣西某軟土地基施工項(xiàng)目為研究背景，在現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過有限元數(shù)值仿真分析方法，研究了樁周土體的含水率、干密度以及樁長、樁徑等因素對水泥土擠密樁單樁承載特性的影響。同時(shí)，在明晰單樁承載特性的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場施工，建立了復(fù)合地基模型，揭示樁-土界面含水率以及干密度對荷載傳遞機(jī)制的影響。研究成果可為相似的地基工程提供參考。

關(guān)鍵詞：地基承載力；數(shù)值仿真分析；單樁承載力；復(fù)合地基

中圖分類號(hào)：U416.10

引言

軟土地基在城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施工程中廣泛存在，由于其自身受力性能較差，受荷易產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致其在承載特性和穩(wěn)定性方面面臨一系列的挑戰(zhàn)［1-2］。為了提高軟土地基的承載能力和改善地基的穩(wěn)定性，各種地基改良技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用［3-4］。在這些技術(shù)中，水泥土擠密樁作為一種有效的地基處理手段，已經(jīng)在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用［5］。水泥土擠密樁主要通過在軟土地基中擠入水泥土漿，形成密實(shí)的樁體，以提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。

大量學(xué)者對水泥土擠密樁加固地基進(jìn)行了研究，主要集中在樁的設(shè)計(jì)與施工、樁體的力學(xué)性質(zhì)、樁-土相互作用機(jī)制、樁的長期行為、復(fù)合地基的應(yīng)用等方面。單澤濤等［6-8］主要關(guān)注水泥土擠密樁的力學(xué)性質(zhì)，包括樁體的承載力、變形特性、剛度等，并通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測，研究了樁體在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。司翔等［9-10］對水泥土擠密樁與樁周土體的相互作用進(jìn)行了深入研究，包括樁與土體的側(cè)向土壓力分布、土體的固結(jié)效應(yīng)以及樁與土體之間的摩擦力等。綜上所述，在水泥土擠密樁的研究方面已經(jīng)積累了大量的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水泥土擠密樁的加固效果主要靠樁的側(cè)摩擦阻力發(fā)揮效用，并且復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)制受土體干密度、含水率、樁長、樁徑以及褥墊層等因素的影響。然而，針對上述影響因素對水泥土擠密樁的荷載傳遞機(jī)制的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。

因此，本文以廣西某地基施工項(xiàng)目為研究背景，在現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過有限元數(shù)值仿真分析方法，系統(tǒng)研究了樁周土體的含水率、干密度以及樁長、樁徑等因素對水泥土擠密樁單樁承載特性的影響。在明晰單樁承載特性的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場施工，建立了復(fù)合地基模型，揭示樁-土界面含水率以及干密度對荷載傳遞機(jī)制的影響。研究成果可為相似的地基工程提供參考。

1"水泥土擠密樁單樁現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1"現(xiàn)場試驗(yàn)工點(diǎn)

擬建場地位于廣西某工點(diǎn)處。場地主要由粉質(zhì)黏土填料與粉砂質(zhì)泥巖破碎填料按照一定比例進(jìn)行混合后進(jìn)行填筑壓實(shí)。地層情況主要分為兩層，從上至下依次為：粉質(zhì)黏土，厚度為8.5～10.2 m，呈褐色，主要作為場地回填土；粉砂質(zhì)泥巖，厚度為5～6 m，質(zhì)地較密，礦物成分中包含赤鐵礦，呈紅褐色。由于場地土體較軟，荷載作用下沉降變形顯著，在現(xiàn)場選擇使用水泥土擠密樁對其進(jìn)行加固。

1.2"單樁承載力現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場使用的水泥擠密樁樁徑為0.5 m，有效樁長約為12 m，樁間距為1 m，施工采用的32.5級復(fù)合水泥，水泥摻量為18%，樁端持力層為粉砂質(zhì)泥巖?；诂F(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)對水泥土擠密樁的單樁承載力進(jìn)行了監(jiān)測，隨機(jī)選取5根典型樁繪制其豎向承載力特性曲線，如圖1所示。

由圖1可知，抽檢的5根水泥擠密樁的單樁靜載豎向承載曲線變化較緩，現(xiàn)場試驗(yàn)加載到240 kN時(shí)，單樁的最終沉降量為8.74～13.28 mm。根據(jù)規(guī)范要求，單樁豎向承載力的極限值可以取沉降量為40 mm所對應(yīng)的荷載與最大試驗(yàn)荷載中的較小值。因此，根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，該處地基承載力的最大值取為240 kN，特征值為120 kN，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。受時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，現(xiàn)場試驗(yàn)無法對樁-土進(jìn)行全面研究，為充分研究水泥土擠密樁單樁及復(fù)合地基的承載特性和荷載傳遞機(jī)制，后文將通過有限元軟件對其進(jìn)行分析。

2"單樁承載特性研究

2.1"建立有限元分析模型

數(shù)值計(jì)算模型尺寸如圖2所示。其中，水泥土擠密樁的樁徑為0.5 m，樁長為12 m，第一層粉質(zhì)黏土厚度為10 m，下部粉砂質(zhì)泥巖厚度為5 m，整個(gè)模型寬度為16 m。為提升計(jì)算精度和計(jì)算效率，在劃分網(wǎng)格時(shí)采取局部加密的方式進(jìn)行劃分，其中水泥土攪拌樁的網(wǎng)格尺寸為0.4 m，樁周土體的網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一設(shè)置為1.0 m。

水泥土擠密樁與樁周土體材料均使用彈塑性本構(gòu)模型。具體計(jì)算參數(shù)如表1所示，其中粉質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)泥巖和水泥土擠密樁的材料參數(shù)均來自于現(xiàn)場工點(diǎn)的勘察報(bào)告。

2.2"計(jì)算工況設(shè)置

數(shù)值計(jì)算時(shí)樁周土體含水率共計(jì)設(shè)置8%，10%和12% 3種工況；樁周土體干密度共計(jì)設(shè)置1.75 g/cm3、1.80 g/cm3以及1.85 g/cm3 3種工況；樁長共設(shè)計(jì)10 m、12 m和14 m 3種工況；樁徑共設(shè)計(jì)0.4 m、0.5 m以及0.6 m 3種工況。加載時(shí)為避免樁周土體的影響，上覆荷載選擇直接加在樁頂，按照表1中樁的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行加載設(shè)計(jì)，最大荷載選為500 kPa，分10次進(jìn)行加載，每級荷載為50 kPa。

2.3"數(shù)值結(jié)果分析

2.3.1"樁周土體干密度及含水率的影響

由于數(shù)值模擬采用的是單因素分析法，所涉及組數(shù)較多，受篇幅限制，本文僅展示部分計(jì)算結(jié)果。研究干密度對樁-土荷載傳遞機(jī)制的影響時(shí)，以含水率為10%、荷載為300 kPa工況為例，變更粉質(zhì)黏土的干密度，所得結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，不同干密度條件下樁身側(cè)摩阻力隨深度的變化趨勢大致相同，均隨著深度的增加呈現(xiàn)非線性減小的特征。值得注意的是，不同干密度條件下水泥土擠密樁的側(cè)摩阻力均在深度＜4 m時(shí)較大，而當(dāng)深度＞4 m后，側(cè)摩阻力衰減較快。造成這一現(xiàn)象的原因可能是受水泥土擠密樁的作用機(jī)制的影響，由于其自身的剛度較低，在豎向荷載作用下部分荷載壓力會(huì)傳遞至樁身，樁身發(fā)生壓縮變形，將一部分能量以彈性勢能的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，而另一部分能量則被樁-土相互作用承擔(dān)。

同時(shí)，樁身受壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形，側(cè)向變形也會(huì)增加其側(cè)摩阻力，但是由于變形主要集中在樁身上部，導(dǎo)致更深層樁身的側(cè)摩阻力不能被完全激發(fā)出來。

研究含水率對樁-土荷載傳遞機(jī)制的影響時(shí)，以干密度為1.80 g/cm3、荷載為300 kPa工況為例，變更粉質(zhì)黏土的含水率，所得結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在相同干密度條件下，在樁身4 m以上區(qū)域，8%含水率所對應(yīng)的側(cè)摩阻力最大，而含水率為10%所對應(yīng)的側(cè)摩阻力最?。辉跇渡? m以下區(qū)域則相反，8%含水率所對應(yīng)的側(cè)摩阻力最小。通過對比不同干密度下的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)干密度較大時(shí)，含水量對側(cè)摩阻力的影響較小。

2.3.2"樁長影響

研究樁長影響時(shí)，以0.5 m樁徑、荷載為300 kPa工況為例進(jìn)行分析（干密度為1.80 g/cm3，含水率為10%），變更水泥土擠密樁的樁長，所得結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，與上文分析一致，在4 m以內(nèi)的淺層區(qū)域，不同樁長的水泥土擠密樁的側(cè)摩阻力變化趨勢大致相同。隨著深度的不斷增加，不同樁長的水泥土擠密樁的側(cè)摩阻力開始發(fā)生變化，在4 m以下的同一深度處，樁長10 m的水泥土擠密樁的側(cè)摩阻力最大，而樁長為14 m的則最小，即較短的樁長反而可以承擔(dān)更大的豎向荷載。因此，對于水泥土擠密樁來說，在實(shí)際施工時(shí)樁長并非越長越好，而是要選擇合適的長度，以提升工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3.3"樁徑影響

研究樁徑影響時(shí)，以12 m樁長、荷載為300 kPa工況為例進(jìn)行分析（干密度為1.80 g/cm3，含水率為10%），變更水泥土擠密樁的樁徑，所得結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在加固的淺層區(qū)域，樁徑越小側(cè)摩阻力反而越大。該結(jié)果表明，對于水泥土擠密樁來講，樁徑也并非越大越好。

通過上述研究明確了樁周土體干密度、含水率、樁長樁徑等影響因素對單樁側(cè)摩阻力的影響。然而，實(shí)際工程問題中，僅明確單樁的承載性無法進(jìn)一步指導(dǎo)施工，要通過數(shù)值仿真分析進(jìn)一步研究水泥土擠密樁復(fù)合地基的工程特性。因此，后文通過建立水泥土擠密樁復(fù)合地基的數(shù)值模型，對復(fù)合地基的荷載-沉降關(guān)系以及樁-土應(yīng)力比進(jìn)行研究。

3nbsp;復(fù)合地基沉降特性及荷載傳遞研究

3.1"復(fù)合地基計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場工程實(shí)際，建立了水泥土擠密樁復(fù)合地基模型（如圖7所示），樁徑為0.5 m，樁長為12 m，樁間距為1 m，褥墊層厚度為0.3 m，樁土等參數(shù)與前文計(jì)算參數(shù)相同。計(jì)算時(shí)的樁周土體含水率與樁周土體干密度設(shè)置情況與單樁計(jì)算時(shí)相同。分別研究不同工況下復(fù)合地基的荷載-沉降關(guān)系以及復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比規(guī)律。

3.2"結(jié)果分析

3.2.1"荷載-沉降關(guān)系

在進(jìn)行復(fù)合地基計(jì)算時(shí)，考慮了褥墊層的影響，也正是因?yàn)槿靿|層的存在，導(dǎo)致復(fù)合地基的沉降變形以及荷載傳遞與單樁存在較大差異。因此，需要對復(fù)合地基的沉降特性進(jìn)行研究。在研究樁周土體干密度對復(fù)合地基沉降影響時(shí)，受文章篇幅限制，本節(jié)僅以含水率為10%以及干密度為1.80 g/cm3作為典型工況進(jìn)行分析，繪制復(fù)合地基的荷載-沉降曲線如圖8和圖9所示。由圖8可知，含水率相同而干密度不同時(shí)，復(fù)合地基的沉降曲線變化趨勢大致相同，沉降量均隨著荷載的增大近似呈線性增大，而且樁周土體的干密度越大復(fù)合地基的沉降量越小。由圖9可知，在同一干密度而不同含水量條件下的復(fù)合地基沉降變化規(guī)律近乎一致，各工況間的沉降差值＜1 mm。通過圖9還可以觀察到，當(dāng)含水率為8%時(shí)，復(fù)合地基的沉降最小。

綜合對比圖8和圖9可知，復(fù)合地基中地基土的含水率和干密度對復(fù)合地基沉降影響較小，這與前文單樁分析時(shí)存在較大差異。造成這種現(xiàn)象的原因是由于褥墊層的存在，導(dǎo)致上覆荷載不斷地在樁和土體之間調(diào)整，使樁-土更好地作用在一起。

3.2.2"樁土應(yīng)力比關(guān)系

不同含水率以及干密度條件下的復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比如圖10和11所示。由圖10、圖11可知，水泥土擠密樁的樁土應(yīng)力比均隨著上覆荷載的增加呈先增大再減小的變化規(guī)律，而樁周土體的含水率和干密度不影響其變化趨勢。通過圖10可知，干密度越大，在相同荷載條件下其樁土應(yīng)力比越小。表明樁周土體越緊實(shí)，土體所能承擔(dān)的荷載就越大，因此樁承擔(dān)的荷載比例會(huì)有所減小。由圖11可知，當(dāng)含水率為8%時(shí)，其樁土應(yīng)力比最小，而含水率為10%時(shí)，樁土應(yīng)力比最大。

4"結(jié)語

針對水泥土擠密樁的單樁承載特性和復(fù)合地基的變形以及荷載沉降問題，本文通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算得到如下主要結(jié)論：

（1）現(xiàn)場工點(diǎn)的水泥土擠密樁的地基承載力的最大值取為240 kN。

（2）在相同含水率條件下水泥擠密樁單樁側(cè)摩阻力隨深度的增加呈現(xiàn)非線性減小的特征，而且水泥土擠密樁在淺層區(qū)域發(fā)揮的加固效果最為顯著。在相同干密度條件下，樁周土體含水率為8%時(shí)的側(cè)摩阻力最大。

（3）水泥土攪拌樁主要發(fā)揮作用在地基的淺層區(qū)域（本文是＜4 m），不同樁長的水泥土擠密樁的側(cè)摩阻力變化趨勢不顯著。在施工時(shí)應(yīng)選用合適的樁長，并非越長越好。

（4）復(fù)合地基受褥墊層的影響，導(dǎo)致樁周土體含水率和干密度對其影響遠(yuǎn)小于單樁。復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比與土體干密度成負(fù)相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

［1］彭富強(qiáng). 多層軟土公路地基沉降及加固技術(shù)研究［J］.西部交通科技， 2023 （3）： 17-19，62.

［2］唐育同. 不同地基處理方式下公路軟土地基加固效果分析［J］. 西部交通科技， 2022（12）： 69-71，81.

［3］魏福強(qiáng). 軟土地基處理技術(shù)的研究進(jìn)展［J］. 工業(yè)建筑， 2023， 53（S1）： 445-447.

［4］王麗歡， 郜"帆， 任亞寧， 等. 軟土地基預(yù)加固對樁基豎向承載特性的影響研究［J］. 人民長江， 2023， 54（4）： 190-197.

［5］陳福江， 劉金剛， 方錢寶， 等. 水泥土擠密樁加固黃土隧道地基的穩(wěn)定性研究［J］. 鐵道建筑， 2017（7）： 85-87.

［6］單澤濤. 水泥土擠密樁擠密效果影響因素敏感性分析［J］. 工程機(jī)械與維修， 2023（3）： 124-126.

［7］鄭"瓊， 楊有海， 陶福金. 確定水泥土擠密樁復(fù)合地基承載力的探討［J］. 路基工程， 2008（5）： 147-148.

［8］楊有海， 陶天森， 郭建群， 等. 水泥土擠密樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的現(xiàn)場測試研究［J］. 鐵道學(xué)報(bào)， 2008（3）： 91-95.

［9］司"翔， 張培強(qiáng)， 黃桂祥， 等. 基于p-y曲線法的深埋樁樁-土相互作用研究［J］. 粉煤灰綜合利用， 2023， 37（5）： 20-26，81.

［10］王海波， 楊有海. 水泥土擠密樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)的數(shù)值模擬分析［J］. 交通標(biāo)準(zhǔn)化， 2009（9）： 86-89.20240318