桩体特性对软土地区复合地基沉降特性影响及优化设计研究

倪先栋

（河北齐荣工程设计服务有限公司，河北 邢台 054000）

1 引言

随着我国城市化建设进程的持续推进，软土地区的建筑项目建设步伐也日益加快，同时对地基承载力、沉降量等方面的控制也更加严格。相较于一般地区而言，软土往往具有承载力低、排水能力差、结构性明显、流变性显著等特征，使得软土地区的地基处理难度较大【1】。在软土地区建筑设计过程中如何控制软土地区建筑物的沉降变形和选择经济、合理、可行的地基处理方案已经成为国内外学者及工程技术人员关注的重大问题，同时，也是确保整个建筑项目经济性、安全性的重要前提之一。当采取地基处理方法来改善软土工程性质时，应当选择适当的设计理念来减小土体（不均匀）沉降，否则会对上部建筑结构的安全性和正常使用功能产生一定程度的不利影响【2】。大量工程实践表明，复合地基法在处理软土地基时具有处治深度大、工程造价低、施工便利等优点，在软土地基处理中得到了广泛应用。因此，为了提高城市建筑结构的设计质量，推动我国软土地区整体建设水平，研究桩体特性对软土地区复合地基沉降规律的影响，并基于此来进行优化设计具有十分重要的工程意义。

2 依托工程概况

2.1 项目简介

该教学楼项目为2 层建筑，层高10m，建筑总高度13.5m，建筑面积1 008m2，设计使用年限是50a。该项目范围内地基土以软土和人工填土（呈松散状态）为主，对建筑物沉降变形控制较严格。与此同时，该场地属于不液化场地。因此，设计单位对该教学楼项目地基采用“复合地基法”进行处理，以保证师生的正常教学活动及人身安全。

2.2 地基处治措施

为了更好地控制地基土在荷载作用下的（不均匀）沉降，本工程选择深层搅拌桩工艺（水泥作为固化剂）。即使用搅拌机械将水泥浆与土体混合在一起形成具有较高强度和刚度的水泥土搅拌桩复合地基。深层搅拌桩施工技术的详细施工流程如下：测量放样→搅拌桩机就位→提升喷浆搅拌→重复上下搅拌→关闭搅拌机→清理搅拌机→机具移位。根据设计文件要求，为了更好地发挥水泥土搅拌桩桩体的承载作用，桩体按正方形布置，桩长为10m，桩间距为1.5m，桩径为500mm，单桩竖向承载力特征值不小于120kPa，具体桩位布置及桩土位置关系如图1 所示。

图1 水泥土搅拌桩桩体桩位布置及桩土位置

3 软土地区复合地基沉降特性影响因素

3.1 计算模型建立及网格划分

选择有限差分软件FLAC3D5.0 来研究桩体参数（弹性模量、桩长、桩间距）对复合地基沉降变形特性的影响规律。同时，该项目中桩数较多，且相关学者研究表明【3】，复合地基长度、宽度对其沉降变形影响程度不大，故选择单桩展开计算。水泥土搅拌桩桩体周围土层主要是淤泥质土，其密度1 835kg/m3、泊松比0.32、弹性模量24MPa、内摩擦角55°。

为了提高模型的计算精度，更加真实地模拟现场实际情况，在划分模型网格时采用了局部加密的方法，即将桩的周围土体网格加密，将岩土体边缘网格划分较为稀疏，网格形式均采用三角形单元【4】，将桩基计算模型按照土体性质差异性划分为2 个区域，共划分3 874 个网格。FLAC3D5.0 软件内置了多种本构关系，笔者在软件计算时采用了摩尔-库伦屈服准则。模型的边界条件是：计算时将桩基底部对x、y、z 3 个方向位移完全约束，将其视为固定端；桩基顶端对z 方向不约束，将其视为铰接端【5】，单桩计算模型及边界条件如图2 所示。

图2 水泥土搅拌桩桩体计算模型及边界条件

3.2 不同工况下复合地基沉降变形分析

通过FLAC3D5.0 计算出的水泥土搅拌桩复合地基在不同弹性模量、不同桩长、不同桩间距工况下的沉降变形计算结果如表1 所示。

表1 不同工况下复合地基沉降变形计算结果

由计算结果可知：水泥土搅拌桩复合地基的沉降变形随着桩体材料刚度的增大而减小，减小幅度达到了62.5%；随着桩长的增加，水泥土搅拌桩复合地基的沉降不断减小（桩长增加，桩侧摩阻力增大，沉降控制效果提高），但其减小速率不断降低，且当桩长大于8m 时，复合地基的沉降基本不变；随着桩间距的增加，水泥土搅拌桩复合地基的沉降不断增加，增加速率同样在降低，且当桩间距超过1.5m 时，复合地基的沉降基本不变。

3.3 复合地基优化设计

综上可知，可以认为水泥土搅拌桩复合地基的桩长大于8m、桩间距大于1.5m 时，再增大桩长或减小桩间距对复合地基沉降变形的改善效果不佳。故笔者认为，水泥土搅拌桩复合地基的最佳桩长为8m，最佳桩间距为1.5m，这样能够达到技术上和经济上的最优。

4 结语

本文以河北省某教学楼项目为工程依托，针对水泥土搅拌桩桩体参数（弹性模量、桩长、桩间距）对复合地基沉降变形的影响展开了深入探讨，主要得到以下3 方面结论：

1）水泥土搅拌桩复合地基长度、宽度对其沉降变形影响程度不大，可采取单桩展开研究；

2）水泥土搅拌桩复合地基的沉降变形随着桩体材料弹性模量和桩长的增大而减小，随着桩间距的增加而增大；

3）水泥土搅拌桩复合地基的最佳桩长为8m，最佳桩间距为1.5m，这样能够达到技术上和经济上的最优，研究成果可以为类似的软土地区复合地基处理工程提供一定的理论指导。