垫层对水泥土搅拌桩桩土应力比影响的有限元分析

裴小伟

（洛阳市规划建筑设计研究院有限公司郑州分公司，河南 郑州 450000）

1 垫层弹性模量对复合地基桩土应力比的影响

国内部分学者对水泥土搅拌桩进行了较多研究，也得出了很多有意义的结论。

为研究垫层弹性模量对桩土应力比的影响，分别将初始模型中的垫层的弹性模量设置为10Mpa，15Mpa，20Mpa，25Mpa，30Mpa，40Mpa，50Mpa，计算出桩顶平均应力及土层顶面平均应力，如图1 所示：

图1 桩及土顶面应力随垫层弹量的变化曲线

图2 桩土应力比随垫层弹模的变化曲线

从图1、2 中得出：从增长趋势上，随着垫层弹性模量的增加，桩顶平均应力逐渐增大，而桩间土平均应力逐渐减小，所以桩土应力比随着垫层弹性模量的增大而增大；从变化幅度上，桩顶平均应力从弹性模量为10 Mpa 时的273 kpa增长到50 Mpa 的306 kpa，增长幅度约10%；桩间土平均应力从弹性模量为10 Mpa 时的58.6 kpa 增长到50 Mpa 的43.7 kpa 桩间土顶面平均应力逐渐减小，降幅为25.5%。说明桩间土体应力更容易受到垫层模量的影响；当弹性模量较小时，桩土应力比增长较缓慢，当垫层模量大于30 Mpa 时，桩土应力比增长较快。

造成上述结果的原因是由于随着垫层弹性模量的增大，垫层压缩性及移动变形性能减弱，其协调变形的能力逐渐减弱，特别是当弹性模量大于30Mpa 时，其协调变形的能力衰减更快，导致桩土应力比增加很快。另外相关研究表明[2]当垫层模量较小时，复合地基整体变形也大，这与本文接下来的研究一致。因此在选择垫层材料时，可以选择透水性较好的粗砂，但压实度不宜过大，压实后弹性模量不宜大于30Mpa。

2 垫层厚度对复合地基桩土应力比的影响

图3 桩及土顶面应力随垫层厚度的变化曲线

图4 桩土应力比随垫层厚度的变化曲线

从图3、4 中可以看出：随着垫层厚度的增加，桩顶平均应力先是迅速减小，然后呈现缓慢增加的趋势，当厚度达到0.3 m 时，达到最小值288.7 kpa。而桩间土平均应力在垫层厚度不大于0.2 时，随着垫层厚度的增加，呈现快速增加的趋势，当垫层厚度大于0.3 m 时，增加的幅度变慢。桩土应力比随着垫层厚度的增加，先是迅速衰减，然后缓慢减小。垫层厚度为0.01 m 时，桩土应力比达到了29.46，当厚度增大到0.1 m 时，迅速衰减到7.26，当垫层厚度从0.2 m变化到1.0 时，应力比仅从5.71 变化到4.58，即垫层厚度增大到原来的5 倍，桩土应力比仅减小20%。因此，当垫层厚度为0.01m 时，即认为不设垫层时，基础底面荷载基本全部由桩体承担，桩间土的作用可以忽略不计，此时没有形成复合地基。随着垫层厚度的增加，垫层调节基底应力分布的能力越来越强，所以桩体应力越来越少而土体应力越来越大。但是，当垫层达到一定厚度时，其调节能力不再明显，因此建议垫层的适宜厚度为0.2~0.3 m。

3 结语

1） 随着垫层弹性模量的减小，减少，桩顶刺入垫层的深度也相应增加，因此，较小的弹性模量有利于桩土之间应力的分配，但是，过小的弹性模量增加了桩顶的沉降量，不利于对沉降的控制。

2） 随着垫层厚度的增加，桩土应力比先是迅速衰减，然后缓慢减小。当垫层厚度很小时，基础底面荷载基本全部由桩体承担，此时没有形成复合地基。而当垫层厚度较大时，其调节基底应力的能力不再明显。同时，随着垫层厚度的增加，桩顶刺入垫层的深度是先增加，到而后处于基本稳定。