水泥土搅拌桩复合地基沉降设计参数数值分析

吴晓荣 王东栋 水 艳

（1.中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001 2.淮河流域水资源保护局 蚌埠 233001）

水泥土搅拌桩复合地基沉降设计参数数值分析

吴晓荣1王东栋1水 艳2

（1.中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001 2.淮河流域水资源保护局 蚌埠 233001）

本文从水泥土搅拌桩优化设计处理地基的基础出发，对水泥土搅拌桩复合地基的沉降进行设计参数数值模拟研究。采用FLAC3D桩结构单元对水泥土桩的变形规律进行模拟，通过改变桩长、桩径、置换率和桩体弹模等桩体设计参数，分析其对复合地基变形特性的影响。对影响复合地基变形的设计参数进行敏感性分析，找出主要影响因素，为工程设计提供指导。

水泥土搅拌桩 优化设计 数值模拟

水泥土搅拌桩复合地基是诸多复合地基中具有代表性的一种，一般具有工期短、污染少、震动小、经济效益显著等特点，是国内外目前进行地基处理的主流技术之一。本文采用有限差分法FLAC3D进行复合地基沉降的数值分析计算，对各种桩体影响因素诸如桩长、桩径、面积置换率及桩体弹性模量等进行探讨，研究复合地基沉降的变化规律。

1 工程概况

姜唐湖蓄（行）洪区位于淮河干流中游正阳关至临淮岗洪水控制工程之间。姜唐湖退水闸位于姜唐湖蓄（行）洪区的末端，退水闸具有挡洪、蓄洪、行洪、退洪以及反向进洪的功能。工程为Ⅱ等大（2）型工程，闸室共16孔，每孔净宽10m。本工程闸基及岸、翼墙地基持力层强度较低且存在软弱土层，设计拟对上下游翼墙地基进行水泥土搅拌桩处理。

2 有限差分法建立模型

三维快速拉格朗日法（FLAC3D）是一种基于显式有限差分法的数值分析方法，可以准确模拟岩土或其他材料的三维力学行为。计算选取退水闸工程翼墙②-②断面为基本建模对象，通过对各种桩体参数的改变，分析它们对复合地基沉降的影响，进行参数敏感性分析。翼墙②－②断面的计算模型见图1。

3 复合地基桩体参数影响计算

本文拟从桩长、桩径、桩间距和桩体弹模这4个桩体参数出发，分析它们对复合地基沉降的影响。

3.1 桩长参数影响

本节计算参数选取如下：翼墙基底应力70kPa；桩为等边三角形布置，桩间距1.2m；桩径0.6m，桩体弹性模量300MPa。计算桩长分别取 8m、9m、9.5m、10m、10.5m、11m和12m时的复合地基沉降，分析桩长对复合地基沉降的影响情况。

图2为复合地基沉降随桩长的变化规律曲线。计算结果表明：地基沉降随桩长增加逐渐减小，并趋于稳定。随着桩长的增加，地基总沉降和下卧层沉降都在减小，而加固层的沉降则随着桩长的增加而增加，这是由于桩长的增加，使得下卧层的压缩厚度变小，压缩深度变大，这样作用在下卧层上的附加应力变小，从而使得下卧层的沉降减小。桩长的增加使加固层的厚度变大，所以加固层的沉降有所增加，但是增加的幅度不大，远远小于下卧层的减小幅度，故地基的总沉降量减小。但是曲线的斜率是慢慢减小的，桩长增长到一定程度，复合地基的应力场和位移场的分布逐渐稳定，复合地基的沉降较小，继续增加桩长对减小复合地基整体沉降几乎不再产生什么效果。

3.2 桩径参数影响

桩径对桩顶沉降的影响可以从图3看出，随桩径的增大，桩顶沉降随之减小。这是由于桩径增大时，桩顶荷载不变，桩身的应力就相对减小了，这样桩身压缩量显然减小。

3.3 桩间距（置换率）参数影响

图1 翼墙②－②断面的计算模型

图2 桩长与复合地基沉降关系图

图4 置换率与复合地基沉降关系图

表1 参数变化对沉降影响结果表

图3 桩径与桩顶沉降关系图

图5 桩体弹模与复合地基沉降关系图

本文计算了翼墙②-②断面水泥土桩间距分别为0.86m、0.93m、1.2m、1.4m时，即置换率分别为 24.61%、21.14%、13.11%、10.60%时，复合地基沉降的变化情况，如图4所示。

由图4可见，桩距较大时，上部软弱土层中的附加应力很大，基础沉降也较大，减小桩距，能够有效将上部土层中的应力向下传递，对减小复合地基整体沉降的效果非常明显；桩距较小时，复合地基沉降降低很多，减小桩距，对土中的应力分布有一定影响，但比以前明显减弱，所以复合地基整体沉降减小不是很明显；桩距减小到一定程度，桩距变化对土中的应力场影响甚小，基础的沉降较小，并趋于稳定，则继续减小桩距对减小复合地基整体沉降几乎没有什么效果。

面积置换率不是影响复合地基沉降的主要因素，增加置换率主要是减小加固层的沉降，对减小下卧层的沉降作用并不明显。但是大量实测资料和工程实例计算表明，加固层沉降一般很小，通常小于30mm，所占地基总沉降量的比例较小。因此在设计中，一味的增加置换率来加大加固层的刚度以达到减小沉降的方法是不可取的，设计中应根据工程地质条件和建筑的上部荷载大小取一个最优的面积置换率。

3.4 桩体弹模参数影响

图5为复合地基沉降随桩体弹模变化的关系图。计算表明：当土体模量一定时，增大桩体模量可减小沉降，当桩体的弹模增加到一定值后，继续增加桩体的弹模对复合地基沉降影响不明显。提高桩体强度可提高加固层的变形模量，减小加固层沉降，将荷载传递到深层土体中。由于实际土层的分布一般随深度增加，土层的刚度增大，因此被转移到深层的荷载对该处土体变形影响不大，从而有效减小建筑物的总沉降。因此复合地基的加固一般应穿透软弱土层。

桩体弹性模量增大后地基沉降减小逐渐不明显的原因是，桩体强度的决定因素是水泥掺入比，靠提高水泥掺入比来减小复合地基沉降作用不大，况且提高水泥掺入比会直接增加工程造价，因此水泥搅拌桩复合地基设计只需选择合适的水泥掺入比即可，一般设计采用的水泥掺入比为13%～18%。

4 参数敏感性分析

表1反映了参数变化对复合地基沉降的影响，从中可以看出，对复合地基沉降影响的参数敏感性从高到低的排列为：桩长、桩径、置换率、桩体弹性模量，其中桩长、桩径的影响较为显著。

5 结语

本文计算以姜唐湖退水闸工程作为研究实例，工程对翼墙的南北两岸采用水泥土搅拌桩进行地基加固。采用岩土软件FLAC3D对复合地基计算参数进行数值分析，分析了桩长、桩径、桩间距和桩体弹性模量这4个桩体参数的变化对复合地基的沉降分别产生的影响；并对影响因素进行参数敏感性分析，为复合地基优化设计提供理论依据