钱爱君

(浙江通衢水电建设有限公司，浙江 衢州 324400)

0 引言

水泥土搅拌桩是加固饱和软黏土地基的常用方法[1-3]，它的桩体材料主要由水泥和土构成。其中水泥最为固化剂，通过水泥与土之间的一系列物理和化学反应，使含水量高的软土固结为具有一定强度、整体性和水稳定性的优良地基土。对于水泥土搅拌桩的应用，前人进行了大量的研究[4-6]。前人的研究多集中于施工方法、施工工艺以及现场试验等方面，对水泥土搅拌桩承载机理方面的研究尚有欠缺。

1 工程概况

云梦滩水库工程位于豫西山区，中小二型水库;主坝桩号为0+000～0+108，大坝坝顶高程为黄海高程125.0 m，大坝坝底高程为115.0 m。工程开工前通过现场地基土平板载荷试验，地基土承载力特征值不满足设计要求，需要对地基土进行加固处理。本工程采用水泥土搅拌桩处理地基土，一方面提高地基承载力，另一方面起到防渗墙的作用。桩径0.50 m，桩长10 m，桩间距1.5 m，布桩方式采用等边三角形布桩，见图1。

图1 现场桩位布置图

2 单桩复合地基现场载荷试验

待现场地基处理完成且水泥土搅拌桩达到设计强度后，进行现场水泥土搅拌桩单桩复合地基静载荷试验，检测单桩复合地基承载力特征值。

2.1 试验设备

现场静载荷试验设备包括一台200 t 油压千斤顶、U 形基准梁、百分表若干、承压板和反力装置等。根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)[7](以下简称规范)，承压板面积为单根桩所承担的处理面积，而单根桩所承担的处理面积的直径为1.05 倍的桩间距，则承压板直径为1.05×1.5=1.6 m。本次试验的反力由压重平台反力装置提供，包括混凝土块重物和反力梁。现场试验设备搭建示意图见图2。

图2 试验装置示意图

2.2 荷载施加

水泥土搅拌桩单桩复合地基静载荷试验采用慢速维持荷载法，随机挑选3 根桩进行试验，编号分别为试桩1、试桩2、试桩3。试验加载方式采用逐级等量加载，共10 级，最大加载量采用预估极限承载力，分级荷载采用预估极限承载力的1/10，其中第一级可取分级荷载的2 倍，具体加载分级为:100 kPa-150 kPa-200 kPa-250 kPa-300 kPa-350 kPa-400kPa-450 kPa-500 kPa-550 kPa-600 kPa-650 kPa-700 kPa。卸载采用逐级等量卸载，每级卸载量为分级荷载的2 倍，终止加载条件和试验注意事项均严格按照规范的规定进行。现场加载见图3。

2.3 试验结果分析

现场静载试验过程中，记录试桩在各级荷载作用下的累计沉降量见表1。

表1 试桩荷载-沉降数据

绘制各试桩的荷载沉降曲线见图4，从图4 中可以看出，刚开始加载时，试桩沉降缓慢增加整体沉降不大。当荷载增加至400 kPa 时，沉降量开始迅速增大，出现“陡降段”。“陡降段”起点所对应的荷载即为单桩复合地基的极限承载力，即400 kPa。承载力特征值为桩基极限承载力的0.5 倍，即200 kPa。

图4 试桩荷载-沉降曲线

3 有限元模拟

利用ABAQUS 有限元分析软件[8]，建立水泥土搅拌桩单桩及单桩复合地基有限元模型，通过给模型施加荷载确定单桩及单桩复合地基的承载力特征值，同时分析桩顶沉降、桩芯轴力、桩土应力比的变化规律，确定水泥土搅拌桩的承载机理。

3.1 模型建立

(1)模型尺寸

土体:土体模型设置为长方体，长、宽均为10 m，高度大于两倍桩长，具体尺寸为10 m×10 m×20 m。在土体中心位置，需采用切削的方式将桩体的位置挖出，见图5(a)。

桩芯:根据现场试桩设计可知，桩长10 m、桩径0.5 m，即桩芯为直径0.5 m、长10 m 的圆柱体，见图5(b)。

承压板:根据规范，压板的大小为单根桩所承担的处理土的面积，直径为1.05 倍的桩间距，即承压板模型为直径1.05×1.5=1.6 m 的圆板，厚度为0.03 m，见图5(c)。

图5 水泥土搅拌桩有限元模型

(2)模型材料参数

假定土体为弹塑性材料，服从摩尔库伦本构关系，从上至下分为3 层，各层材料属性见表2。桩体主要由水泥和土组成，压板为Q345 钢板，均假定为线弹性材料，材料属性见表3。

表2 土体模型材料参数

表3 桩体、压板模型材料参数

(3)网格划分

所有部件均采用六面体网格，网格单元类型为C3D8R。对部件布种完成后进行网格划分。

(4)荷载施加

在加载分析步给模型施加5 级荷载，分别为200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa、1000 kPa，将上述荷载以压强的形式施加在承压板的上表面。

图6 地应力平衡结果

3.2 有限元模拟结果分析

(1)沉降分析

如图7 所示，有限元模拟结果荷载-沉降曲线与现场试验较为接近，证明了模型的合理性。

图7 试桩模拟荷载-沉降曲线

(2)桩芯轴力

如图8 所示，在各级荷载作用下，桩芯轴力都表现为桩顶处最大，沿桩深度方向逐渐减小，到桩底位置几乎减小至0，说明在荷载向下传递过程中土体和桩侧摩阻力消耗了大部分荷载。

图8 桩芯轴力图

(3)桩-土应力分布

桩-土应力沿模型对称轴(从上至下0 m 处、5 m 处、10 m 处)分布曲线见图9，从图中可以看出，应力分布曲线基本呈左右对称。距离为5 m 处是桩体所在位置，应力最大。且随着对称轴深度的增加，桩-土应力比逐渐减小。

图9 桩土应力比

4 结论

(1)经过水泥土搅拌桩现场静载荷试验，得出了单桩复合地基极限承载力为400 kPa，承载力特征值为200 kPa，且试验所得试桩荷载-沉降曲线与有限元模拟结果较为吻合。

(2)在各级荷载作用下，桩芯轴力随着桩芯深度的增加而逐渐减小，到桩底处减至最小接近于0。桩-土竖向应力随着土体深度的增加而均匀增大，在桩顶和桩底处，由于桩侧土体的反向挤压作用，应力有所减小。

(3)通过理论计算， 得出水泥土搅拌桩单桩抗压承载力特征值为226.7 kPa， 单桩复合地基承载力特征值为191.4 kPa。则单桩复合地基的极限承载力为承载力特征值的2 倍，为382.8 kPa，与有限元模拟结果的400 kPa 较为接近。

(4)采用切线模量法得到了水泥土搅拌桩单桩复合地基荷载P与沉降量s之间的关系曲线，与模拟曲线相比，当荷载小于计算极限承载力382.8 kPa，二者吻合度较高。