重力式挡墙桩基中桩型对地基沉降的影响分析

符传立

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州510060）

1 概况

重力式挡土墙在水利堤岸工程中运用广泛，其对地基承载力有一定的要求，当承载力远不能满足要求时，可通过施打桩基进行处理。水泥土搅拌桩和预制方桩在地基处理中应用广泛，两者都为复合地基，与原状地基土一起承担上部荷载。当桩径和桩距布置合理时，两种桩基都能使处理后的地基满足承载力要求。而两种桩型对地基沉降的控制情况如何，需做进一步分析。

水泥土搅拌法是加固饱和软黏地基的一种成熟方法，它利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特质的深层搅拌机械，在地基中就地将软土和固化剂（浆液状或粉体状）强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一些列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。现场水泥土搅拌桩是用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械将固化剂与软土地基强制搅拌，所形成的水泥土状体。它是一种介于刚性桩和散体材料桩之间的一种可压缩性桩[1，2]。

针对水泥土搅拌桩复合地基对地基沉降的影响，彭振宇[3]对施工完成后的路基沉降进行观测，结果表明水泥搅拌桩可有效控制新旧路基差异沉降；魏士淇[4]结合ANSYS软件对载荷作用下水泥搅拌桩复合地基的沉降进行数值模拟计算，得出控制复合地基沉降量的影响因素；孙鹏[5]结合复合地基沉降常用计算方法，分析公式的适用情况及其制约性，并通过沉降观测找出水泥搅拌桩复合地基沉降变形随桩长和桩距变化的规律。

以珠江边某新建堤岸为应用实例，结合有限差分分析法，分析不同桩型（水泥土搅拌桩、预制方桩）作为挡墙桩基时，其地基沉降的差异情况，供工程人员参考。

2 桩基设计

2.1 地质条件

选取广州珠江边某新建堤岸作为研究对象，地质条件如表1所示。

表1 地质条件

2.2 桩基设计

2.2.1 桩距设计

重力式挡土墙的地基承载力要求一般为100～120 kPa，选取100 kPa复合地基承载力要求作为桩基布置的控制条件。水泥土搅拌桩桩径为0.5 m，单桩承载力要求为80 kN；预制方桩选用0.25×0.25 m方桩，单桩承载力要求为90 kN。根据JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》第7.1.5条，复合地基承载力特征值（kPa）：

式中：λ——单桩承载力发挥系数；m——面积置换率；Ra——单桩承载力，kN；Ap——桩的截面积，m2；β——桩间土承载力发挥系数；fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa。

对于水泥土搅拌桩，单桩承载力发挥系数λ=1；单桩承载力取Ra=80kN；桩截面积Ap=∏d2/4=3.14×0.52/4=0.196 25m2；桩间土发挥系数 β=0.5；处理后桩间土承载力特征值 fsk=70kPa。通过计算可得水泥土搅拌桩面积置换率m=0.174 4，由m=，正方形布桩de=1.13s，计算得s=1.059 m，取桩间距s=1.0 m。

对于250×250预制方桩，单桩承载力发挥系数λ=0.8；单桩承载力Ra=90kN；桩截面积Ap=1×1=0.25×0.25=0.062 5 m2；桩间土发挥系数β=0.9；处理后桩间土承载力特征值 fsk=70 kPa。通过计算可得预制方桩面积置换率m=0.034 0，由 m=，正方形布桩 de=1.13s，计算得桩间距s=1.35 m。

2.2.2 桩长设计

根据规范JGJ79-2012第7.1.6条，单桩竖向承载力计算公式为：

式中：μp——桩的周长，m；n——桩长范围内所划分的土层数；αp——桩端端阻力发挥系数；qsi——桩周第 i层土的侧阻力特征值，kPa；lpi——桩长范围内第i层土的厚度，m；qp——桩端土端阻力特征值，kPa。

根据规范JGJ79-2012第7.3.2条，由桩身材料强度确定的单桩承载力公式：

式中：η——桩身强度折减系数；fCU——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为0.07 07 m的立方体，也可采用边长为0.05 m的立方体）在标准养护条件下90 d龄期的立方体抗压强度平均值，kPa。

工程桩顶高程为地面下7.1 m，根据地勘资料，水泥土搅拌桩、预制方桩的桩侧阻力特征值计算如表2，3所示。

表2 桩侧阻力特征值表

由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩竖向承载力特征值为：

由桩身强度控制的单桩承载力为：

水泥搅拌桩单桩承载力特征值取80 kN，计算桩长为4 m。为减少变量对试验结果的影响，搅拌桩长度取与预制方桩相同长度，桩长为6 m。

由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩竖向承载力特征值为

预制方桩单桩承载力特征值取90 kN，桩长取6 m。

3 数值模拟

3.1 基础模型

根据桩基设计，水泥土搅拌桩和预制方桩采用矩形布置，桩距分别为1 m和1.35 m，取1/4平面作为研究对象。土体和桩基采用实体模型（zone），其中土体定义为摩尔库伦模型，根据地勘资料及《工程地质手册》参数建议值，土层参数如表3所示。桩基采用弹性模型，根据《建筑桩基技术规范》[6]，水泥土搅拌桩28 d后无侧限抗压强度为1.0 MPa；水泥搅拌桩的水泥掺入量取15%，相关参数如表4所示。预制方桩混凝土强度等级为C30，根据《混凝土结构设计规范》[7]，相关参数如表4所示。

表3 土层模型参数

表4 桩基模型参数

3.2 边界条件与接触面

岩土模型底限制竖直方向位移，岩土模型两侧限制水平方向位移。根据对一些工程实例的模拟试验研究，水泥土桩的桩土界面比较粗糙，接触面上的摩擦特性较好，接触面上的c，φ值取与桩相邻土层的c，φ值的0.8倍；预制桩桩土接触面上的c，φ值取与相邻土层的c，φ值的0.5倍左右。

3.3 计算结果

模拟无桩基情况下的土层应力平衡（前期固结）后，将桩基位置土层移除，在地面标高以上生成桩基模型（弹性模型），并通过改变桩基模型竖直位置的方式“打入”桩基模型。桩顶处地面施加100 kPa均布荷载，模拟上部挡土墙荷载，得到水泥土搅拌桩及预制方桩处理后地基的沉降情况。水泥土搅拌桩、预制方桩处理后的地基沉降量如表5。

表5 复合地基桩间土桩顶沉降量

4 结论

1）从模拟结果可以看到，在承载力要求相同（100 kPa）的情况下，预制方桩处理后的复合地基桩间土在地面深度0 m，2 m，4 m处沉降量分别为0.088 9 m，0.035 6 m，0.010 7 m；水泥搅拌桩处理后的复合地基桩间土在地面深度0 m，2 m，4 m处沉降量分别为0.193 9 m，0.068 7 m，0.024 5 m，预制方桩对沉降的控制明显好于水泥搅拌桩。

2）水泥搅拌桩处理后的表层桩间土沉降量和桩顶沉降量分别为0.193 9 m和0.186 8 m，水泥搅拌复合地基的桩、土沉降差为0.007 1 m；预制方桩处理后的表层桩间土沉降量和桩顶沉降量分别为0.088 9 m和0.052 5 m，预制方桩复合地基的桩、土沉降差为0.036 4 m。可以看到，水泥搅拌复合地基的桩、土沉降差明显小于预制方桩复合地基，这与水泥土搅拌桩相对于预制方桩弹性模量更小，是一种柔性桩相符合。SL379-2007水工挡土墙设计规范》对土质地基上挡土墙地基最大沉降量要求为不宜超过0.15 m。由于现场施工中还会进行褥垫层回填碾压等措施，因此两种复合地基碾压后的地基沉降量基本可以达到规范要求。

3）从桩、土沉降差可以看出，复合地基需要在上部结构之间设置刚度较大的褥垫层或基础，以平衡桩、土之间的沉降差，其中刚性桩相对柔性桩对褥垫层、基础的刚度要求更大。

4）在对地基沉降要求比较大的工程，如市政道路一侧的堤岸挡墙、挡墙与过河天桥、人行步梯相交的节点设计中，现场条件允许的情况下，建议施打预制方桩，以较好地控制堤顶沉降。