半刚性水泥搅拌桩软基加固特性及回填分层施工影响研究

邹鹏旭，陈良志，彭志豪

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230)

近年来在海堤工程建设中，采用水泥搅拌桩进行软弱地基处理的方法已经得到广泛应用。在进行地基沉降等计算时，主要采用复合地基的计算方法进行综合考虑，而将水泥搅拌桩以实体桩建模，通过桩土共同作用计算来分析其性质的研究十分缺乏。目前，复合地基已由传统的柔性桩复合地基发展到半刚性桩合地基、刚性桩复合地基，而水泥搅拌桩复合地基中，水泥搅拌桩也在向长桩发展[1]。

本文分析的水泥搅拌桩桩长23.27 m，单桩强度高，属于 “半刚性”水泥深层搅拌桩。传统复合地基计算沉降时，由于复合地基土体指标的选取、应力场的分布以及桩土荷载分配等因素的不确定性，不同的假定方法得到的计算结果差异较大[2]。基于这一问题，通过空间三维有限元数值模拟分析方法建立水泥搅拌桩实体桩模型，设置界面单元模拟桩-土之间的相互作用，对比分析海堤施工过程中不同分层层数对海堤地表沉降和水泥搅拌桩的位移、应力及变形等影响。

1 工程实例概况

某斜坡式海堤工程堤长12.285 km，断面布置如图1-a所示，土体力学指标如表1所示。其中海相沉积土分布较广、厚度大、含水率高、压缩性高、灵敏度高、抗剪强度低，物理力学性质差，在海堤施工过程中易发生不均匀沉降及滑动破坏，是地基沉降的控制层，须进行地基处理。工程采用水泥搅拌桩和铺设土工格栅的方法进行地基处理，水泥搅拌桩包括类型 I、类型II及类型III三种形式，桩顶高程为-3.0 m，底标高为-26.27 m，如图1-b所示。水泥搅拌桩地基处理最小置换率为20%，呈梅花型布置。类型I及类型II桩间排距4.8 m，类型III桩间排距6.0 m。土工格栅采用BNISO 10319，横向拉伸强度≤100 kN/m, 纵向拉伸强度≤800 kN/m。在海堤施工过程中需注意分级加载施工，监控工后沉降量以及水泥搅拌桩的应力、位移等，防止海堤不均匀沉降以及水泥搅拌桩的拉伸破坏。

表1 土层物理力学性质指标Tab.1 Geotechnical parameters of soil-layers

注：d1=海相沉积土以下深度；d2=冲积土顶部以下深度。

1-a 立面图1-b 水泥搅拌桩局部平面图 图1 海堤结构示意图Fig.1 Seawall structure diagram

工程施工工序为：先进行水泥搅拌桩的地基处理、铺设2 m厚砂垫层及土工格栅，再进行海堤部分施工。在海堤堤心的施工中，为满足施工需要并便于施工设备的布设，分别考虑两种方案进行海堤堤心纵向分层施工。

方案一堤心采用六层分级回填，从下到上第一、二层分层厚度为0.5 m，第三至五层分层厚度为1.0 m，第六层分层厚度为0.7 m，从标高-2.0 m回填至顶面标高+2.7 m，最大加荷高度为1.0 m，如图2-a所示。堤心上依次进行下卧层及护面块石的分级回填，回填高度依次为1.3 m和2.8 m，最终达到护面块石顶标高+6.8 m。各层坡度边缘连线均在1V:15H梯度线以下，各层坡度均为1V: 5H。

方案二堤心采用三层分级回填，从下到上第一层分层厚度为1.0 m，第二层分层厚度为2.0 m，第三层分层厚度为1.7 m，从标高-2.0 m回填至顶面标高+2.7 m，最大加荷高度为2.0 m，如图2-b所示。堤心上依次进行下卧层及护面块石的分级回填，回填高度依次为1.3 m和2.8 m，最终达到护面块石顶标高+6.8 m。沿海堤纵向，各层坡度边缘连线均在1V:15H梯度线以下，各层坡度均为1V: 5H，与方案一各层材料及顶面高程保持一致。

2-a 方案一

2-b 方案二图2 海堤堤心石纵向分层断面图Fig.2 Seawall structure construction layers in longitudinal direction

3-a 方案一3-b 方案二图3 PLAXIS 3D模型图Fig.3 PLAXIS 3D model

4-a 方案一

4-b 方案二图4 PLAXIS 3D模型纵向分层图Fig.4 PLAXIS 3D model of construction layers in longitudinal direction

2 数值模拟

图5 PLAXIS 3D水泥搅拌桩模型图Fig.5 PLAXIS 3D model of cement mixing piles

为分析海堤在软土地基上的沉降、水泥搅拌桩的应力及变形等特性，以及分级回填对于施工过程的影响等问题，采用PLAXIS 3D岩土有限元分析软件，针对以上两种方案进行建模对比分析(见图3、图4)，为简化计算，模拟不考虑后方回填区及倒滤层。采用Mohr-Coulomb模型模拟土体，Mohr-Coulomb模型能较好地描述海积软土在堆填荷载作用下的变形特性，包括竖向沉降和侧向变形[3-4]。水泥搅拌桩采用实体桩建模，等效为截面面积相等的矩形方桩(见图5)。根据大量现场试验结果，水泥搅拌桩与土体接触面的荷载传递特性类似刚性桩[5]，通过设定合适的界面强度折减因子，来模拟水泥搅拌桩与土体接触面上应力差异导致的相互作用，界面单元采用包含6对节点的12节点Goodman单元[6]。土体采用10节点四面体单元，土工格栅采用柔性弹塑性六节点三角形面单元，并在结构刚度矩阵里加入大位移及初应力矩阵，更新Lagrangian算法[7]，在迭代计算中更新网格，模拟大变形对有限元方程的影响。

为减小模型两侧边界对分析结果的影响，通过试算确定对结构内力无明显影响时的土体计算范围。模型沿海堤纵向的长度取为168 m，沿海堤横向的长度取为80 m，地基底面标高为-50 m，已达海床持力层。海堤两侧采用对称边界，竖向位移保持自由，底面采用全约束。考虑10 kPa的施工荷载，施工期水位为+0.36 m。

图6 地表沉降曲线Fig.6 Settlement curve on ground surface

3 结果分析

3.1 地表沉降分析

海堤施工期间，方案一堤心采用六层分级回填，最大加荷高度为1.0 m；方案二堤心采用三层分级回填，最大加荷高度为2.0 m。从堤心施工开始，顶面标高达到-2.0 m时，两种方案总沉降相同，均为2.782 cm。至堤心部分施工完毕，顶面标高达到+2.7 m时，方案一总沉降达到8.578 cm，方案二总沉降达到8.704 cm。至海堤整体施工完毕，顶面标高达到+6.8 m时，方案一总沉降达到16.88 cm，方案二总沉降达到16.86 cm(见图6)。

从沉降曲线可以看出，两种方案的最终总沉降量相差在0.12%以内，施工过程中相同标高的最大沉降量差在1.23%以内。说明相同条件下，海堤堤心不同分级厚度及分层层数施工对地表沉降的影响很小。

表2 海堤施工方案一与方案二计算结果对比Tab.2 Comparison of calculation results between scheme 1 and scheme 2

3.2 水泥搅拌桩位移、变形分析

在海堤施工完毕，顶面标高达+6.8 m时，对比两种施工方案的水泥搅拌桩桩体的位移结果(见表2)，可知，水泥搅拌桩最大水平位移为34 mm，最大沉降为89 mm。

图7为两种方案水泥搅拌桩体沿海堤的横向、纵向变形图。可知，沿海堤横向，在上覆海堤结构的作用下，坡脚应力集中带大，产生的剪应力大，因此，水泥搅拌桩变形大、水平位移大。由于陆侧坡度(1V:1.5H)较海侧坡度(1V:2H)陡，水泥搅拌桩最大水平位移出现在陆侧坡脚的类型III上部(见图8-a、8-b)。

沿海堤纵向，由于分层施工，海堤边缘连线在1V:15H梯度线下，上覆海堤重量由于高程的降低依次减小，水泥搅拌桩竖向压缩变形、沉降及倾斜变形依次减小，在上覆海堤结构的偏心作用下，海堤纵向坡脚附近应力集中带大，产生的剪应力大，水泥搅拌桩的纵向位移大(见图8-c、8-d)。由于类型II水泥搅拌桩上覆海堤重量大，因此压缩变形大，由于底部土体的嵌固作用，桩端纵向变形很小，因此，水泥搅拌桩沉降最大的位置在类型II桩顶处(见图8-e、8-f)。

7-a 水泥搅拌桩沿海堤横向变形图位移(放大100倍)7-b 水泥搅拌桩沿海堤纵向变形图(放大200倍)图7 水泥搅拌桩变形图Fig.7 Deformation diagram of cement mixing piles

由于两种方案各层坡度边缘连线均在1V:15H梯度线以下，两种方案计算结果相近，各项变量的差值百分比均在10%以内。计算结果表明，在相同条件下，海堤堤心不同分级厚度及分层层数施工对水泥搅拌桩的位移等因素的影响较小。

8-a 方案一x方向位移8-b 方案二x方向位移8-c 方案一y方向位移

8-d 方案二y方向位移8-e 方案一z方向位移8-f 方案二z方向位移图8 水泥搅拌桩位移云图Fig.8 Displacement nephogram of cement mixing piles

3.3 水泥搅拌桩应力分析

在海堤施工完毕，顶面标高达到+6.8 m时，对比两种施工方案的水泥搅拌桩桩体的有效应力结果(见表2)，可知，水泥搅拌桩最大拉应力为153 kN/m2，最大压应力为426 kN/m2。

由图9，水泥搅拌桩的最大拉应力出现在y方向的桩体边缘处，由于将梅花型桩体等效为等面积的方桩，可知，由于有限元方法网格划分的特点，在桩体边缘处产生了应力集中。依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[8]，水泥搅拌桩的最大拉应力在其抗压强度设计值的15%内，水泥搅拌桩未发生拉伸破坏。

由于两种方案各层坡度边缘连线均在1V:15H梯度线以下，两种方案计算结果相近，各项变量的差值百分比均在6%以内。计算结果表明，在相同条件下，海堤堤心不同分级厚度及分层层数施工对水泥搅拌桩的应力的影响较小。

9-a 方案一x方向应力9-b 方案二x方向应力9-c 方案一y方向应力

9-d 方案二y方向应力9-e 方案一z方向应力9-f 方案二z方向应力图9 水泥搅拌桩应力云图Fig.9 Stress nephogram of cement mixing piles

4 结语

基于某斜坡式海堤工程建立三维岩土有限元数值模型，分析了海相沉积土在海堤分级施工加载作用下的水泥搅拌桩的位移、应力及变形等特性，并在纵向坡度相同的情况下，对比分析不同分级厚度及分层层数施工对地表沉降、水泥搅拌桩的位移、应力及变形等特性的影响，得出以下结论：

(1)海堤地表沉降最大为16.9 cm，半刚性水泥搅拌桩体最大水平位移为34 mm，最大沉降为89 mm，最大拉应力为153 kN/m2，最大压应力为426 kN/m2。由于本文采用实体桩建模，弥补了复合地基计算方法难以准确得到水泥搅拌桩的水平位移、竖向沉降、应力等特性的不足。同时，避免了受复合土体指标选取等因素影响的不确定性。

(2)半刚性水泥搅拌桩体的水平位移受坡脚附近应力集中带的影响，竖向沉降与上覆荷载作用及底部土体的嵌固作用有关，水平向及竖向有效应力与埋深及上覆荷载作用正相关。

(3)在纵向坡度等因素相同的情况下，只改变分层施工的分层厚度及分层层数对地表沉降，以及水泥搅拌桩的位移、应力等因素影响较小。方案二由于简化了施工工序，从而提高了施工效率，缩短工期，节省工程造价。建议在满足设计及施工要求的情况下，可采用减少分层层数的方法进行施工。

(4)实体桩建模方法能更真实的反映软土地基加固的变形性质，建议在今后设计中，采用实体桩建模方法来模拟半刚性水泥土搅拌桩的软基加固作用。