软土地基水泥搅拌桩承载力试验及数值模拟研究

李 超

(中铁十八局集团市政工程有限公司,天津 300222)

0 引言

我国软土分布广泛,随着我国交通运输行业的高速发展和基础建设投入的不断增加,我国公路不可避免地需要穿越广阔的软弱土地区。软土路基具有承载能力低、沉降变形量大、施工维护困难等特点,极易产生路基病害,威胁道路的运营安全。因此,对软弱地基采取合适的加固措施十分重要。水泥搅拌桩因其施工效率高、成桩强度高、控制路基沉降效果好等特点被广泛应用于软弱地基加固中。

对此,大量学者进行了深入研究。刘大华等[1]以公路软土地基实际工程为背景,对水泥搅拌桩加固软土地基的施工工艺及质量控制技术进行了探讨,详细介绍了采用强度试验及静载试验进行成桩检测的全过程,为软土地基水泥搅拌桩复合地基的施工与设计提供了参考。蔡英龙[2]总结分析了水泥搅拌桩加固软土地基的原理及地基强度影响因素,并结合工程实际深入研究了水泥搅拌桩的施工流程、技术要点及质量检测,为类似软土地基加固提供了参考。赵鑫[3]通过采用水泥搅拌桩对软土地基进行加固的工程实例,并利用静载试验及动力触探试验对桩体强度及地基承载力进行检测,分析了软土地基水泥搅拌桩的处置效果。刘奇[4]以某高层建筑软土地基为例,对其地质条件进行深入分析,探究了桩体的沉降变形规律,并对软土地基水泥搅拌桩加固机理及施工方案进行了研究。王骏飞等[5]依托浙江软土地基工程实例,运用MIDAS有限元软件,建立软土地基水泥搅拌桩复合路基计算模型,模拟复合路基的沉降变形特性,研究桩长、桩距等不同水泥搅拌桩参数对软土地基的加固效果。陈良志等[6]结合水泥搅拌桩加固软土地基工程实例,采用PLAXIS 3D有限元软件进行加固软基稳定性分析,并通过实体桩模型有效模拟出桩间土的土拱效应及水泥搅拌桩对土体的约束作用。

为有效解决地基软弱问题,依托公路软土地基实际工程,采用水泥搅拌桩进行地基加固,通过现场及室内试验研究水泥搅拌桩复合地基的承载特性,探究土体、当量配合比及养护龄期对加固地基强度的影响。运用ABAQUS有限元软件建立桩土复合地基三维计算模型,研究复合地基的承载变形规律,并验证试验结果的正确性,为软弱地基加固设计提供参考。

1 水泥搅拌桩复合地基加固机理

用水泥搅拌桩加固地基是一种小扰动、简施工、低造价、快见效的软土地基处理方法,在经济和技术上都具有很大的优势,得到了广泛的应用。水泥搅拌桩加固地基主要利用了水泥等固化材料,使其与软土发生水解、水化反应,形成氢氧化钙、铁酸钙等化合物,以改变地基土的结构,使其强度得到一定的提升,从而增加其整体稳定性。常见的固化材料如图1所示。

水泥搅拌桩成桩效果受多种因素影响,需对施工过程进行合理控制。由于软黏土中自由水的存在可以加速水泥水解水化反应,故在施工过程中需进行充分搅拌,增加水泥与软黏土的接触面积。水泥水化产物和黏土颗粒会产生离子交换、硬凝反应以及碳酸化反应,从而达到硬化土层的效果。为保障硬化效果,需提前检查搅拌机械,保障搅拌切削的强度,充分粉碎地基土,以提高复合地基的整体强度。

水泥搅拌桩成桩后和土体共同作用,形成复合地基。上部荷载所形成的地基应力主要在桩体和土体之间分布。桩体部分强度较大,相对土体而言能承受更多的上部荷载。随着桩体刚度的增加,其顶部会产生应力集中,上部荷载通过桩体传输至深层土体,减小了桩间土承受的荷载,从而达到增强地基承载力,加固软土地基的效果。对于未加固的深层土体而言,水泥搅拌桩加固区的存在相当于设置了垫层,当承受上部荷载时,其可以起到应力平衡的作用,从而有效加固地基,阻止沉降。

水泥搅拌桩振动施工对土体起到挤密作用,而成桩后增强了土体纵向的透水性,使其能较快排水固结,从而提高了软土地基的抗剪强度和承载能力。

2 承载力试验研究

2.1 现场试验

现场试验复合地基桩位布置如图2所示,水泥搅拌桩采用梅花形布置,桩径0.5 m,桩间距1.5 m,单桩承载力设计值为120 kPa。成桩28 d后,开展现场静载试验,本次试验采用慢速维持荷载法进行加载,采用7级加载,每级荷载为50 kN,第1级为2倍分级荷载,最大数值为400 kN,加载时采用1 m2正方形承载板,确保桩顶中心、承载板中心与千斤顶中心在同一竖直直线上。另外,需进行现场钻机取样,为后续室内无侧限抗压试验做准备,共钻取粉土、粉质黏土、粉细砂及细沙4种不同土样。

1～3号桩的现场试验结果如图3所示。3个桩的承载力直接呈直线型,竖向荷载越大,桩体沉降位移越大,符合工程实际。1～3号桩最大400 kN荷载对应的最终沉降分别为12.18 mm、16.76 mm和9.96 mm。

图2 现场复合地基桩位布置图

图3 1～3号桩现场承载力试验结果

2.2 室内试验

对现场取出的粉土、粉质黏土、粉细砂及细沙4种土样分别进行当量配合比(即每延米的水泥掺量)为55 kg、60 kg和65 kg的养护处理,并设置7 d和28 d的养护龄期。养护完成后,对试块开展无侧限抗压试验,测试试块整体力峰值(试块所能承受的最大压强),研究不同养护条件试块的承载能力。

试块整体力峰值室内试验结果见表1,土类和养护龄期相同时,力峰值由大到小依次是当量配合比为65 kg、60 kg和55 kg的试块。试块当量配合比和养护龄期相同时,力峰值由大到小依次是粉细砂、粉质黏土、粉土和细砂试块。当量配合比和土类相同时,试块力峰值随养护龄期的增大而增大。

表1 室内试验结果 单位:kN

3 数值模拟研究

3.1 模型建立及参数设置

结合实际工况,运用ABAQUS有限元软件建立水泥搅拌桩加固地基三维计算模型如图4所示。水泥搅拌桩长设为8 m、桩径设为0.5 m,考虑基桩的边界效应,计算模型整体尺寸为18 m×5 m×15 m。模型采用Mohr-Coulomb破坏准则,模型材料主要包括桩和土,选用线弹性模型进行模拟,模型材料具体物理力学参数见表2。采用库仑摩擦定律预估桩土间产生的相对滑移,切向采用摩擦接触,法向采用刚性接触,摩擦系数为tan(0.75f0)。计算模型选用位移边界条件,对模型底部进行全约束,模型侧面进行法向约束。构建完桩土计算模型后,进行地应力平衡。计算模型采用均布压强的形式施加上部荷载,将位移载荷作用于桩顶,推动桩体下降。

图4 水泥搅拌桩加固地基三维计算模型

表2 模型材料物理力学参数

3.2 工况模拟

3.2.1 单桩复合地基工况模拟

单桩复合地基计算模型整体尺寸为5 m×5 m×15 m,桩长设为8 m、桩径设为0.5 m,单桩桩顶设置5 mm、10 mm、15 mm和20 mm 4种位移荷载,研究桩土共同作用规律。

3.2.2 群桩复合地基工况模拟

为研究各因素对群桩复合地基承载力的影响,考虑从配合比、土样和龄期3方面进行模拟分析,由室内试验结果可知,粉细砂试样强度较高,应用效果较好,因此群桩复合地基选用粉细砂进行模拟。考虑55 kg、60 kg和65 kg 3种当量配合比,7 d、14 d以及28 d 3种养护龄期,共模拟9种工况,具体工况见表3。

表3 群桩复合地基模拟工况

3.3 结果分析

3.3.1 单桩分析

由数值模拟结果可知,单桩复合地基应力和位移变化主要集中在桩体本身及桩身附近,离桩体较远的土体应力和位移变化较小,表明位移荷载只作用于桩体本身,对距桩身较远区域的作用效果较小,验证了圣维南原理。图5为不同位移荷载条件对应的单桩复合地基最大应力,由图可知,随着桩身位移的不断增加,最大竖向应力也随之增加,但增加速度逐渐减小,最大竖向应力随竖向位移变化曲线逐渐趋于平缓。说明单桩复合地基桩端土体随竖向位移增大逐渐压实,峰值应力也随之增加,当竖向位移达到一定程度后,即土体压实程度较高后,竖向位移对竖向应力的作用逐渐削弱,随着桩身位移的增大,桩身下沉难度逐渐加大。分析单桩复合地基模型结果可知,本模型符合工程实际,具备合理性,可用于后期群桩复合地基的模拟研究。

图5 不同位移加载条件对应的 单桩复合地基最大应力

3.3.2 群桩分析

群桩复合地基模拟工况较多,选取3号桩进行分析。3号桩的承载力对比曲线如图6所示,可以看出,竖向荷载提高时,桩身沉降也随之增大。对比数值模拟和现场试验结果,相同荷载条件下数值模拟计算得到的沉降值整体略高于现场试验获得的沉降值。实际上,即便为均质土体,同一土层土体的弹性模量从上到下也会逐渐变高,底层弹性模型最大;但在数值模拟的模型参数设置时,软件没有考虑土体模量随深度变化的空间效应,将整层土体弹模视作相同。因此数值模型的土体弹模设置与工程实际存在一定的差距,导致数模结果与现场试验结果不一致。不同的模型假定以及参数设置等因素都会造成数值结果与实际结果的误差,但两者的差距在合理可控范围之内,数模结果也验证了现场试验的正确性。

图7为不同当量配合比的承载力模拟曲线。当量配合比越大,相同荷载的对应沉降值越小,即水泥搅拌桩的承载能力随当量配合比的增大而增大。图8为不同养护龄期的承载力模拟曲线。同样,养护时间越长,相同荷载的对应沉降值越小,说明增长养护龄期能有效提高水泥搅拌桩的承载能力。另外,竖向荷载越大,不同当量配合比和养护临期指标的桩体沉降值差异越大,提高当量配合比和养护龄期对复合地基沉降的控制效果会更显著。故在实际工程应用中,应当重视地基土当量配合比与水泥搅拌桩的养护龄期。

图6 承载力对比曲线图

图7 不同当量配合比的承载力模拟曲线

图8 不同养护龄期的承载力模拟曲线

4 结语

为解决地基软弱问题,依托软土地基工程实例,采用水泥搅拌桩进行地基加固,通过现场及室内试验研究加固地基的承载特性和承载力的影响因素,运用ABAQUS有限元软件建立桩土复合地基三维计算模型,研究复合地基的承载变形规律,验证试验结果的合理性。

1)通过现场试验和室内试验探究土体、当量配合比和养护龄期3个因素对水泥搅拌桩单桩承载力的影响:对于土体,粉细砂强度最大、粉质黏土次之,最后为粉土和细砂;当量配合比越大,地基承载能力越大;养护龄期越长,地基承载能力越高。

2)由单桩数值模拟结果可知,最大竖向应力随桩身位移的增大而不断增大,但增加速度逐渐减小,说明随着桩身位移的增大,桩身下沉难度逐渐加大。

3)由群桩数值模拟结果可知,数值模拟得到的地基承载力略低于试验结果。在当量配合比及养护龄期对地基承载力的影响方面,数值模拟计算结果与室内外试验结果表现出相同的规律,即当量配合比越大、养护龄期越长,地基承载力越高,二者结果吻合,验证了试验结果和数值模型构建的正确性。