软弱地基加固机理及其力学特性研究

董宇浩

(中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050227)

0 前言

地基是基建工程的基础,直接关系到上部结构的建设和服役期间的安全性。随着城市化进程的迅猛发展,基础建设不断扩张,结构的选址也将不得不面临诸多难题,这其中具有代表性且难处理的就是软弱地基。软弱地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。若处理不当会引起地基不均匀沉降[1],轻者导致结构开裂,严重的甚至会整体倾覆和倒塌[2-3],给基础施工增加了施工难度[4]。可见必要的加固措施是处理软弱地基的重要手段,如图1所示。

图1 软弱地基加固

对于软基加固处理方面的研究主要从理论分析、模型试验、数值模拟和现场监测开展。在模型试验方面,李凤云[5]通过室内模型试验,对水泥深层搅拌桩(湿法)的水泥土立方体抗压强度的因素开展分析。基于模型试验,成诗冰[6]分析了固体废弃物制备的固化剂在水泥搅拌桩技术中的可行性。曾帅[7]通过数值模型模拟分别对比分析和揭示未施加加固措施和施加土工格栅结合水泥搅拌桩复合加固措施后复合地基的力学响应规律。依托某工程实例,陈忠云[8]通过数值模拟和实测值沉降数据进行对比,研究了采用水泥搅拌桩复合路基的优越性和表达式的可靠性。邓友生[9]通过开展模型试验,得到采用不同加固措施下复合路基在加载过程中的沉降等响应规律。周盛全[10]开展了水泥-粉煤灰搅拌桩(CFMP)复合地基模型试验,揭示了加载过程中搅拌桩桩身及粉煤灰地基中的应力传递特性。通过开展CFG桩和树根桩单桩的现场静载试验,王年香[11]研究了CFG桩和树根桩单桩承载性状。利用有限元计算软件MIDAS GTS模拟了基坑开挖的施工过程,刘涛[12-13]研究了桩长和桩体弹模对CFG桩受力及变形的影响规律。胡瑞丰[14]利用ABAQUS数值模拟软件对成孔过程中桩间土体的孔隙水压力变化以及桩周土体位移进行了模拟分析。

当前,越来越多的新建构筑物将不可避免的建造在软弱地基上,将给设计和施工带来更大的挑战,而地基作为重要载体其重要性不言而喻,亟待准确揭示不同加固措施加固软弱地基后其力学特性。首先,分析和研究了水泥搅拌桩和CFG桩加固软弱地基的机理,同时分析和总结加固后复合地基参数计算方法。然后,通过数值模拟建立三维分析模型,以开展采用水泥搅拌桩和CFG桩加固软土地基力学特性研究,可为软弱地基加固处理提供具有参考价值的结论,同时为类似工程提供指导。

1 软基处理措施

1.1 水泥搅拌桩

水泥土搅拌法是加固饱和软黏土地基的一种方法,主要是将水泥和石灰等材料作为固化剂的主要成分,然后通过搅拌机械将拌和固化剂和软土搅拌均匀,通过两者之间链式的物理化学反应将软土地基连接成整体,改变地基原有物理化学属性,变为具有水稳定性、具有一定承载力和强度的优质地基,以满足实际工程对地基承载力的要求。当前,对于水泥搅拌桩加固地基的简化分析方法包括。

1.1.1 加固区整体简化

将搅拌桩作为一个均质的加固区进行考虑,按复合地基理论计算得到加固区的复合模量Esp和渗透系数ksp:

Esp=mEp+(1-m)Es

(1)

ksp=mkp+(1-m)ks

(2)

式中:Esp为加固区的复合模量;Es为软土地基的模量;Ep为搅拌桩桩身模量;m为面积置换率;ksp为加固区的复合渗透系数;ks为软土地基的渗透系数;kp为搅拌桩桩身的渗透系数。

1.1.2 加固区桩土条带分算简化方法

将搅拌桩地基简化为桩条带和土的条带共同组成,也就是说沿线路走向上搅拌后的地基由桩条带和桩间土带组成的,在此基础上将三维受力模式简化为二维即平面上开展分析(见图2)。采用该模式进行简化计算时,桩间土条带参数按地基土的参数进行选取,而桩条带的参数(包括等效模量和等效渗透系数,在面积置换率较小并且搅拌桩渗透系数比桩周土渗透系数小1～2个数量级时,不考虑搅拌桩桩身的渗透)按下式进行近似确定:

(3)

(4)

式中:d为搅拌桩的桩间距。

1.2 CFG桩复合地基

CFG 桩即水泥粉煤灰碎石桩由碎石、石屑并添加一定量水泥加水进行拌和,然后根据设计要求制造成具有可变粘结强度的桩型,按设计要求施工桩,通过桩-桩间土-褥垫层共同作用以形成复合地基,满足设计对地基承载力的要求。

按复合地基理论计算得到加周区的复合模量Esp和渗透系数ksp。大量的研究表明搅拌桩桩身的渗透系数kp比桩间土渗透系数小1～2个数量级,同时我国目前公路上搅拌桩处理的面积置换率一般不超过20%,对复合渗透系数贡献较小。

以梅花布置和正方形布置的水泥搅拌桩和CFG桩为例,结合规范可计算得到桩径0.5 m,桩距1.3 m的水泥搅拌桩的面积置换率13%,桩径0.5 m,桩距2.5 m的CFG桩的面积置换率为3%。根据公式(1)、表1和表2并结合具体土层参数可分别计算得到加固区的复合模量。

表2 CFG桩计算参数

2 模型分析

为分析和揭示采用水泥搅拌桩和CFG桩加固软土地基时下方隧道变形特性,论文采用Midas GTS NX 软件建立三维分析模型。本次三维数值模拟计算里,土体采用实体单元修正莫尔库伦模型,桩柱采用一维梁单元进行模拟,这两种单元具有方便快捷等优点,可以很好模拟结构力学响应(见图3)。

图3 三维有限元模型图

三维模型采用Midas中常用的标准约束模式,包括水平向对应的水平位移,底部的对水平和竖向位移固定约束,具体包括:(1)X方向,固定左右两侧面内各节点沿X方向位移,即TX=0;(2)Y方向,固定前后两侧面内各节点沿Y方向位移,即TY=0;(3)Z方向,固定底面内各节点沿X、Y和Z方向位移,即TX=TX=TZ=0。

3 计算结果

经过数值模拟计算得到采用水泥搅拌桩和CFG桩加固软弱地基后沉降变形数据及基于现场实测数据,见表3。实测值是根据某工程软弱地基处理区段的监测沉降数据。由表可知,复合地基沉降数据总体呈现出以下规律:复合模量计算方法>加固区桩土条带分算简化方法>CFG桩>实测数据。

表3 数值模拟计算结果与沉降数据

受自重影响,加固后的复合地基的沉降值随观测时间的增加而增大,在初始阶段沉降值增加速率较大,然后逐渐降低,如当观测时间0～25时间段沉降值增加了1.51 cm,175～200 d时间段沉降值增加了0.71 cm。随着填土厚度的增大,复合地基的沉降逐渐增大,并非呈现出线性增大的变化趋势。对比数值模拟中采用复合模量计算方法和加固区桩土条带分算简化方法得到加固后复合地基的参数时,加固区桩土条带分算简化方法计算结果与实测值误差较小为0.64,优于采用复合模量计算方法计算结果误差。采用CFG桩加固地基后其符合地基沉降值小,结果更接近实测值,建议工程中若满足条件优先选用CFG桩加固。

4 结语

论文通过对水泥搅拌桩和CFG桩加固软弱地基的加固机理开展研究,对加固复合地基参数求解进行了深入分析,然后通过数值模拟对加固后复合地基沉降变形开展研究,得到主要结论如下:

(1)通过对水泥搅拌桩和CFG桩加固软弱地基机理进行分析,得到了复合地基参数计算方法,为类似加固软弱地基加固效果和沉降预测提供借鉴。

(2)通过数值模拟与现场实测数据对比发现,采用CFG桩加固后复合地基的沉降值小于水泥搅拌桩后地基沉降值,其加固和控制变形效果较好。

(3)采用水泥搅拌桩加固软弱地基时采用加固区桩土条带分算简化方法计算复合地基的参数精度高,与实际工程误差小。

(4)通过分析沉降数据认为,软弱地基加固后其沉降值会持续增加但速率会逐渐降低,应静止一段时间待沉降稳定后方可开展后续施工,避免不均匀沉降的出现。