吴晓荣 王东栋 欧 勇

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

水泥土搅拌桩复合地基承载力设计参数数值分析

吴晓荣 王东栋 欧 勇

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

本文从水泥土搅拌桩优化设计处理地基的基础出发，对水泥土搅拌桩复合地基的承载力进行设计参数数值模拟研究。采用FLAC3D桩结构单元对水泥土桩的承载特性进行模拟，通过改变桩长、桩径、置换率和桩体弹模等桩体设计参数，分析其对复合地基承载力的影响。对影响复合地基承载力的设计参数进行敏感性分析，找出主要影响因素，为工程设计提供指导。

水泥土搅拌桩 优化设计 数值模拟

水泥土搅拌桩复合地基是诸多复合地基中具有代表性的一种，一般具有工期短、污染少、震动小、经济效益显著等特点，是国内外目前进行地基处理的主流技术之一。本文采用有限差分法FLAC3D进行复合地基承载力的数值分析计算，对各种桩体影响因素诸如桩长、桩径、面积置换率及桩体弹性模量等进行探讨，研究复合地基承载力的变化规律。

1 工程概况

姜唐湖蓄（行）洪区位于淮河干流中游正阳关至临淮岗洪水控制工程之间。姜唐湖退水闸位于姜唐湖蓄（行）洪区的末端，退水闸具有挡洪、蓄洪、行洪、退洪以及反向进洪的功能。工程为Ⅱ等大（2）型工程，闸室共16孔，每孔净宽10m。本工程闸基及岸、翼墙地基持力层强度较低且存在软弱土层，设计拟对上下游翼墙地基进行水泥土搅拌桩处理。

2 有限差分法建立模型

三维快速拉格朗日法（FLAC3D）是一种基于显式有限差分法的数值分析方法，它可以准确模拟岩土或其他材料的三维力学行为。计算选取退水闸工程翼墙②-②断面为基本建模对象，通过对各种桩体参数的改变，分析它们对复合地基承载力的影响，进行参数敏感性分析。翼墙②－②断面的计算模型见图1。

3 复合地基桩体参数影响分析

本文拟从桩长、桩径、桩间距和桩体弹模这4个桩体参数出发，分析它们对复合地基承载力的影响。

3.1桩长参数影响

计算参数选取如下：翼墙基底应力70kPa；桩为等三角形布置，桩间距1.2m；桩径0.6m，桩体弹性模量300MPa。计算桩长分别取8m、9m、9.5m、10m、10.5m、11m和12m时的桩土应力比，分析桩长对复合地基承载力的影响情况。

图2为不同桩长与桩土应力比之间的关系，可以看出桩土应力比随桩长有明显变化。主要原因是桩间土的应力发生较大的变化，而桩的应力基本不随桩长变化而变化，即桩长影响着桩间土的承载力的发挥。计算结果表明：桩土应力比随桩长增加先增大后减小，并趋于稳定。这就意味着桩径一定时，当桩长较短，桩体的桩端阻力发挥不大，主要由桩侧摩阻力承担外荷载，随着桩长的增加，荷载向桩体集中，桩土应力比呈增长趋势；当桩长逐渐增大，桩体落在地基持力层上后，桩端阻力开始发挥作用，桩体的强度逐渐达到极限，荷载开始向桩周土体转移，桩土应力比减小；当桩长继续增加超过一定的值后，土体也将达到破坏状态，增加桩长，桩土分担的荷载比例并不改变，曲线趋于稳定。可见在桩长超过一定值后，增加桩长对显著提高桩体应力影响不大，即存在一临界桩长，桩长超过该值时，增加桩长对提高复合地基承载力没有太大意义。

3.2桩径参数影响

由图3桩径与桩土应力比关系图可以看出，桩土应力比随着桩径的增大而迅速减小。这是因为桩径增大，桩体受力面积增大，桩身所受荷载应力则减小，而桩径变化对桩周土体的应力影响却不大。

3.3桩间距（置换率）参数影响

面积置换率在数值上等于桩的横截面积和一根桩所承担处理的地基的横截面积之比。改变面积置换率，会相应改变复合地基的复合模量和复合泊松比的值。因此，取不同的面积置换率进行分析，实际上是分析不同复合模量、泊松比时复合地基的特性。

本文计算了翼墙②-②断面水泥土桩间距分别为0.86m、0.93m、1.2m、1.4m时，即置换率分别为 24.61%、21.14%、13.11%、10.60%时，复合地基承载力的变化情况，如图4所示。

从图4中可以看出，置换率对复合地基的桩土应力比影响很大，当桩间距为1.34m时，桩土应力比达6.27，随着置换率的增加，桩土应力比迅速降低。桩土置换率越大，单桩极限承载强度越小，或地基极限承载强度越大，则桩土应力比越小。由此可知，在低置换率时，水泥土桩所承受的荷载比率较大，充分发挥了桩体的承载力，因此复合地基破坏常表现为桩体先破坏；当置换率增大时，土承受荷载的荷载比率也有所提高，此时表现为土体的破坏，水泥土桩的承载能力未能充分发挥，显然不是很经济。为充分发挥桩和土的承载性能，在设计水泥土搅拌桩桩径时，应考虑选取一个较为合适的置换率，建议取10%～30%，这样比较经济适用。

3.4桩体弹模参数影响

对于不同的桩体材料，其桩体的强度是不同的。如水泥土桩的弹性模量范围为50～500MPa，而CFG桩和素混凝土桩可以达到25000MPa。下面通过计算对桩体的弹性模量的变化对复合地基产生的影响进行分析。

图1 翼墙②－②断面的计算模型

图2 桩长与桩土应力比关系图

图3 桩径与桩土应力比关系图

图4 置换率与桩土应力比关系图

图5 桩体弹模与桩土应力比关系图

图5为桩土应力比随桩体弹模的变化的计算结果：随着桩体的弹模的增大，桩土应力比相应增加，但增长率却在下降。在土体模量一定时，增加桩体弹模，桩土模量比越大，则桩相对越硬，桩对于地基土的置换作用越明显，桩顶应力集中越显著，应力比有所增加，但随桩模量进一步增大，应力比增加缓慢。在一定范围内，桩体刚度对桩土应力比

影响较大，是影响复合地基承载特性的重要因素；但桩体刚度过大时，桩体表现出刚性桩基础的承载特性，此时，即使桩的刚度再增加，桩土应力比的增长率很小。

表1 参数变化对桩土应力比影响结果表

4 参数敏感性分析

在进行参数敏感性分析时，为便于比较，假定研究范围内的土层和桩体材料都是均匀的，单一参数变化时其他参数保持不变，改变桩长、桩径、置换率及桩体弹性模量等物理力学参数值进行计算。

表1反映了桩体参数变化对桩土应力比的影响，从中可以看出，对复合地基承载力影响的参数敏感性从高到低的排列为：桩径、桩体弹性模量、桩长、置换率，其中桩径、桩体弹性模量的影响最为显著，桩长、置换率的影响较为显著。

5 结语

本文计算以姜唐湖退水闸工程作为研究实例，工程对翼墙的南北两岸采用水泥土搅拌桩进行地基加固。采用岩土软件FLAC3D对复合地基计算参数进行数值分析，分析了桩长、桩径、桩间距和桩体弹性模量这4个桩体参数的变化对复合地基的承载力分别产生的影响；并对影响因素进行参数敏感性分析，为复合地基优化设计提供理论依据■