高压旋喷桩复合地基在房建工程中的应用

摘要：依托某改建工程，采用数值模拟方法，建立高压旋喷桩复合地基三维数值分析模型，对复合地基沉降及桩长和桩径对复合地基沉降及桩体受力的影响开展研究。结果表明：复合地基实测最大沉降为132.54mm，模拟数据与实测数据基本吻合；复合地基沉降量随着桩长和桩径的增大均逐渐减小，桩身轴力随着桩长的增大逐渐增大，随着桩径的增大逐渐减小；该工程高压旋喷桩桩身轴力远小于设计值，不会出现强度破坏。

关键词：高压旋喷桩；复合地基；房建工程；数值模拟

0" "引言

随着城市化进程的加速，城市用地日趋紧张，建筑工程逐渐向高层、超高层方向发展[1]。然而，许多城市的建筑地基为软弱地基，具有低承载力、高压缩性和高含水量等特点，这对房建工程的稳定性和安全性造成了严重威胁[2]。

高压旋喷桩技术通过高压喷射水泥浆液，将地基土体与浆液混合，形成具有高强度和低渗透性的固结体，从而提高地基的承载能力和稳定性[3]。该技术高效、环保且适用性广泛，近年来在建筑工程中得到了广泛应用。

目前，已经有多位学者针对高压旋喷桩的实际工程应用开展了相关研究，户军杰等[4]研究了高压旋喷桩在湿软黄土地区用于路基加固时的土体变形影响，提出了简化施工注浆过程为球形空腔膨胀的模型，并推导了土体位移的计算方法，验证了其可靠性。戴俊平等[5]以张靖皋长江大桥为背景，研究了SJT和RJP工艺在70m深黏土层中的成桩质量和地基性能，结果表明SJT工艺在桩体强度、基底摩擦、抗渗和承载力方面表现优异。吴凯等[6]针对富水砂层高压旋喷桩施工中水泥浆流失和成桩质量差的问题，依托张家港220kV晨阳至晨港线路工程，通过现场试验研究了3种注浆材料的防渗性能，结果表明高聚物+水泥材料的抗渗性能最佳，可为富水砂层高压旋喷桩的参数优化提供依据。

在现有研究中，针对高压旋喷桩在房建工程中的应用研究相对缺乏，鉴于此，本文依托某改建工程，采用数值模拟方法，对高压旋喷桩复合地基的受力变形规律开展研究。研究成果可为高压旋喷桩技术在房建工程中的推广应用提供科学依据和实践指导，助力城市建设的安全与可持续发展。

1" "工程概况

本文依托某改建工程，其建筑面积为47955.54m2。工程所在地属于亚热带季风气候，年均温度为20～28℃，年均降雨量为1000mm。场地范围内地表水系为场地西侧水塘，水面海拔约为4m，水深约1.5m，面积约2800m2，水体位于拟建场地内，占地面积较大，水量丰富。

场地内地下水按照赋存方式可分为包气带上层滞水、孔隙水，地下水位随季节性降雨发生变化，一般丰水期水位较高，枯水期水位略有降落，水位埋深年变幅约1.50～2.50m。拟建场地地层主要有素填土层、淤泥层、淤泥质粉细砂层、淤泥质粗砂层和粉质黏土层。

2" "数值模型与材料参数

基于实际工程建立高压旋喷桩复合地基三维数值分析模型，模型深度、长度及宽度均为20m，基础长度宽度均为4.8m，褥垫层厚度为0.25m，为简化计算取1/4模型进行分析。

在数值模拟时做出如下假设：假设土体和旋喷桩的材料在各自区域范围内是均匀且各向同性的；假设桩与土体之间的接触面存在一定的黏结力和摩擦力，以模拟桩与土体之间的相互作用；假设土体的初始应力状态是稳定的，确保地基在未受外部荷载作用时处于平衡状态。

采用四边形网格对模型进行网格划分，网格尺寸设置为0.5m，网格划分完毕后共有节点数4970个，单元数4004个，高压旋喷桩三维数值分析模型如图1所示。在模型四周施加水平位移约束，模型底面设置为固定边界，模型上表面设置为自由边界。模型各区域材料参数如表1所示。

3" "模拟结果分析

3.1" "模拟值与实测值对比

加载过程中复合地基沉降量实测值与模拟值对比如图2所示。观察图2可知，随着荷载的增大，高压旋喷桩复合地基沉降量逐渐增大。随着荷载的增加，复合地基中承受的应力增大，导致土体的压缩变形增大。

高压旋喷桩通过注浆在土体中形成高强度的桩体，桩体在承受荷载时，通过桩间土体传递荷载，桩土共同承载。随着荷载的增大，桩体的侧阻力和端阻力也会逐步增加，但由于土体的应力释放和压缩，土体的变形更显著，导致整体沉降量逐渐增大。

复合地基沉降量模拟值稍大于实测值，在加载过程中实测沉降量最大值为132.54mm，模拟值为142.96mm，相差10.42mm。分析认为，由于在模拟过程中，地基和桩体的物理力学参数设定得过于理想化，对高压旋喷桩和周围土体的相互作用考虑不周，未能充分考虑到实际施工过程中形成的复合地基效应和加固作用，从而使模拟结果与实测结果存在偏差。总体上，误差较小，说明实测结果与模拟结果规律及数据均基本吻合。

3.2" "桩体参数对复合地基沉降及受力影响

3.2.1" "不同桩长对复合地基沉降影响

不同桩长条件下复合地基沉降量变化如图3所示。由图3可知，随着桩长的增大，复合地基沉降量逐渐减小。这是因为较长的桩能够更深入地穿透软弱土层，从而提供更有效的承载和支撑力；且桩长越长桩和周围土体之间的摩擦力增大，增强了桩体的抗压性能，减少了地基沉降。同时，桩长较长的桩能在更大深度范围内进行土体改良，增强了地基整体刚度和稳定性，使得复合地基系统在外部荷载作用下变形显著减小。

同时可以发现，桩长由3m增大至8m，每增大1m，复合地基沉降的降低幅度分别为24.53%、22.76%、19.46%、12.41%、9.69%。随着桩长的持续增大，复合地基沉降量的降低幅度逐渐减小，桩长大于5m后，这种现象更为明显。

分析认为，由于当桩长增加到一定程度时，桩体的刚度和桩土复合体的协同工作能力已经达到较高水平，继续增加桩长对进一步减小沉降的作用有限。此外，随着桩长的增加，桩端深入到更深土层，这些土层通常比表层土更密实，压缩性较小，因此随着桩长增加，沉降量的降幅趋于平缓。

3.2.2" "不同桩长对桩身轴力的影响

不同桩长桩身轴力变化如图4所示。从图4可以看出，沿着桩体向下，桩身轴力呈现出先增大再减小的趋势。初始加载阶段，桩身顶部受到直接加载，引起局部应力集中，使得桩身顶部轴力增大并逐渐向桩体下部传递；随着深度增加，桩身中下部位置逐渐承担更多荷载，桩底部的土体与桩身之间的摩擦力逐渐发挥作用，导致桩身轴力呈现出减小的趋势。

随着桩长的增大，桩身轴力逐渐增大，且桩长在3～5m内变化时，桩身轴力的增幅较大。桩长大于5m后，桩身轴力增幅较小。随着桩身深入土层，周围土体对桩身的摩擦阻力和端阻力逐渐增大，导致桩身所承受的轴向力也随之增加。桩长较短时，土体在桩侧的抗剪强度限制，使得土体对桩的摩擦阻力相对较大，导致桩身轴力增幅显著。随着桩长超过5m，土体的抗剪强度限制相对减小，桩侧土体对桩的摩擦阻力变化趋于稳定，因此桩身轴力增幅逐渐减小。

3.2.3" "不同桩径对复合地基沉降量影响

不同桩径复合地基沉降量变化如图5所示。由图5可知，随着桩径的增大，复合地基沉降量逐渐减小。这是由于较大直径的旋喷桩能够提供更大的承载能力和刚度，有效地分担土体的荷载，且对土体的改良范围更大，有效减少了地基的压缩变形。

在0.3～0.7m桩径每增大0.1m，复合地基沉降量的降低幅度依次为14.99%、12.3%、12.62%、10.7%，表明随着桩径的持续增大，复合地基沉降量降低幅度呈现出减小趋势。随着桩径的增大，改良土体的影响范围扩大，但随着桩径增大至一定程度，改良效果的增益逐渐减弱，土体固结和沉降的改善效果也随之减小。

3.2.4" "不同桩径对桩身轴力的影响

不同桩径桩身轴力变化如图6所示，从图6可以看出，随着桩径的增大，桩体不同位置的桩身轴力逐渐减小。这主要是由于较大的桩径能够更有效地分散和传递荷载，从而降低了单一位置的应力集中。

桩径增大表示桩的截面面积增大，使得荷载分布更加均匀，单位面积承受的应力减小，因此各位置的桩身轴力相应减小。且较大桩径也增加了桩的刚度，减少了桩在承受荷载时的变形，从而有效地降低了由于变形引起的附加应力。此外，较大桩径的桩基础与周围土体接触面积增大，有利于更好地分散竖向和横向的荷载传递，使得桩身的整体应力分布更加均匀。

桩径由0.3m增大至0.7m，桩身最大轴力的降低幅度为90%，在不同桩径下，桩身最大轴力出现位置基本不变，说明改变桩径能够显著降低桩身轴力，且对最大轴力出现位置无明显影响。桩径为0.3m时，桩身轴力最大值为1875kPa，远小于设计值，说明桩体不会出现强度破坏。

4" "结束语

本研究基于某扩容改建工程，借助数值模拟方法对高压旋喷桩复合地基在房建工程中的应用开展研究，得出以下主要结论：高压旋喷桩复合地基沉降量，随着施加荷载的增大逐渐增大，实测沉降最大沉降值为132.54mm，模拟结果稍大于实测结果。总体上，实测结果与模拟结果规律及数据均基本吻合。随着桩长的增大，复合地基沉降量逐渐减小，桩身轴力不断增大，桩长超过5m后，复合地基沉降量降低幅度和桩身轴力的增大幅度均有所减小。随着桩径的增大，复合地基沉降量和桩身轴力均逐渐减小，桩身最大轴力值远小于设计值，不会出现强度破坏，桩径由0.3m增大至0.7m，桩身最大轴力的降低幅度为90%。

参考文献

[1] 许劲松，徐华，张海涛，等.第三系半成岩富水砂岩隧道水平高压旋喷桩加固机理及参数分析[J/OL].岩土工程学报，1-10.

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[3] 何大为，杨建辉，张康荣，等.软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩扰动机理室内模型试验[J].桂林理工大学学报，2023，43（2）：245-251.

[4] 户军杰，赵文辉，王保成，等.黄土地区高压旋喷桩施工挤土效应预测方法研究[J].建筑结构，2023，53（S1）：2692-2696.

[5] 戴俊平，曾旭涛，夏欢.超深黏土层超高压旋喷桩工艺试验[J].公路，2023，68（6）：115-121.

[6] 吴凯，陈荣刚，顾海荣，等.富水砂层高压旋喷桩注浆材料防渗性实验研究[J].地下空间与工程学报，2023，19（02）：533-540+585.

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