漆首栋
（江西省建筑科学研究院，南昌，330046）
【摘 要】 水泥搅拌法是用于加固饱和软粘土地基的地基加固方法。本文利用理正岩土计算软件进行了水泥搅拌桩加固软土地基的设计，对加固后复合地基的承载力和沉降量等进行了计算；最后利用FLAC软件，分析了不同荷载条件下水泥搅拌桩加固软土地基的加固效果。
【关键词】水泥搅拌桩；承载力数值模拟计算
1．单桩竖向静载现场试验
随着荷载的增加，单桩桩体和复合地基中的桩体沉降量均逐渐增长，q-s近似呈线性关系。当荷载增加到约600kN时，三根单桩的桩顶沉降变形迅速增大，表明此时单桩已接近极限状态，即将破坏。此时复合地基桩的P-S曲线仍保持线性关系，桩顶沉降缓慢增大，此时上部荷载由复合地基中的桩和桩间土共同承担，且变形协调开展，并未出现突然破坏的情况。直至荷载增大到约1400kN，复合地基桩的沉降量才明显增大，整个复合地基即将破坏。这表明，水泥土搅拌桩复合地基的破坏模式是渐近式的，其与单桩的破坏形态不尽相同，承载力与单桩相比有明显提高。
1.1 计算条件假定
搅拌加固后的水泥土无侧限抗压强度1.25MPa，桩体弹性模量110MPa，无侧限抗压强度130MPa，桩体泊松比0.2。
为使计算过程简化，为数值模拟过程中作如下合理假定：
（1）桩、土材料为均质、各向同性体；
（2）本构模型中，桩体采用线弹性模型，土体采用摩尔-库仑弹塑性模型；
（3）上覆荷载在基底处产生的基底压力近似为均布荷载作用在桩和桩间土上；
（4）不同材料之间不考虑相对滑移，即不设置接触面单元。作该假定的原因是，水泥搅拌桩是将水泥注入软土中搅拌而成，这一点与其它混凝土桩的成桩机理不一样，成桩与软土之间并无明显界面，过渡区范围较广。
1.2单桩竖向静载模拟试验
根据圣维南原理，计算边界范围通常要达到桩受力后不产生明显变形影响的边界为止。本算例中，桩的两侧边界取至桩径的20倍（桩边缘左右各16m），桩底方向的边界取至桩长的两倍（地表至底边界为17m）。
1.3桩身水平位移与荷载关系
除了桩顶最大水平位移是工程中关心的重要参数外，在水平-竖向荷载共同作用时整个桩身的水平位移也是工程中关心的问题。如果桩身水平位移不符合设计要求，会降低桩体的承载力，影响工程安全。因此需要研究桩身水平位移随荷载变化而变化的规律。
根据前述计算结果，将不同荷载条件下的桩身水平位移与桩体埋深的关系。可以看出，桩身水平位移曲线具有如下主要特征：上部位移值较大，随着深度的增加，位移值有较大幅度的减小，竖向荷载越大，水平位移减小幅度越大。到达一定深度后位移为零，该深度称为第一零点；随后位移出现负值，且有所增大，到达一定深度后又减小，最后趋于零并保持不变，该深度值称为第二零点。另外发现，桩身水平位移的第一零点基本位于桩顶往下4.5m左右的深度处，不同条件下的该点位置变化较小；第二零点基本位于6m深度处，变化也不明显。这表明不同荷载条件对第一零点和第二零点的影响很小。本文限于篇幅，未能开展这方面的研究工作。但可以肯定的是，上述零点的位置应当是由桩身性质和桩周土体性质共同决定的，桩的抗弯刚度、土体的抗剪强度和变形模量等均会影响桩身零点位置，从而影响到桩体受力状态。另外，随着水平位移的增大，桩体逐渐倾斜，此时竖向荷载由中心荷载转化为偏心荷载，偏心距与桩顶最大水平位移有关，此时竖向荷载对最大水平位移及桩身位移等有一定的影响。
1.3水平-竖向荷载共同作用时的单桩沉降分析
不同水平荷载条件下，竖向荷载的存在都将产生附加沉降量，水平荷载的作用导致桩体轴线产生偏移，这对竖向荷载的作用点和作用效果带来不可忽略的影响，进而影响桩体总体的沉降量。可以看出，在水平荷载作用下桩顶竖向荷载的增加均导致桩体竖向沉降量的增大，但不同的水平荷载作用下产生的沉降量变化幅度明显不同。当水平荷载较小时，桩体沉降量与竖向荷载呈较好的线性关系，此时桩周土形成的塑性区范围较小，主要为弹性状态；当水平荷载较大时，随着竖向荷载的增加，桩体沉降量与竖向荷载关系从线性关系转为非线性，即曲线开始弯曲。竖向荷载越大，曲线的弯曲幅度越大。这表明此时桩周土产生了较大范围的塑性变形，变形量较大，从而导致桩体沉降量明显增大。
图1 桩顶沉降量与水平荷载关系
2．总结
本文采用FLAC软件，模拟了单桩仅承受竖向静载和同时承受水平竖向静载时单桩的水平位移变化特性，分别进行了不同水平荷载和竖向荷载作用时的数值计算，得到如下结论：
（1）获得了单桩竖向静载条件下的桩体受力变形规律，并与现场试验结果进行对比，验证了FLAC软件用于分析桩土作用的合理性；
（2）获得了单桩在水平-竖向荷载共同作用下的桩体最大水平位移变化特征，分析了竖向荷载对水平承载力的影响规律。不同竖向荷载作用时，随着水平荷载的增加，桩顶最大水平位移亦不断增加，桩顶最大水平位移与水平荷载均近似为线性关系。相同水平荷载条件下，竖向荷载越大，最大水平位移越小，这表明竖向荷载的增大有利于提高桩体的水平稳定性。最大水平位移与水平荷载、竖向荷载呈线性关系，可用多元线性回归方程拟合。竖向荷载对水平承载力的影响非常明显，破坏时的水平极限荷载随着竖向荷载的增加而减小。
（3）获得了单桩在水平-竖向荷载共同作用下的桩体水平位移变化特征。桩身水平位移曲线主要表现为：上部位移值较大，随着深度的增加，位移值有较大幅度的减小，竖向荷载越大，水平位移减小幅度越大。到达一定深度后位移为零，该深度称为第一零点；随后位移出现负值，且有所增大，到达一定深度后又减小，最后趋于零并保持不变，该深度值称为第二零点。桩体性质和桩周土性质相同时，不同荷载条件对第一零点和第二零点的影响很小；
（4）获得了单桩在水平-竖向荷载共同作用下的桩身沉降位移变化特征。在水平荷载作用下桩顶竖向荷载的增加均导致桩体竖向沉降量的增大，但不同的水平荷载作用下产生的沉降量变化幅度明显不同。当水平荷载较小时，桩体沉降量与竖向荷载表现为较好的线性关系，此时桩周土处于弹性状态；当水平荷载较大时，随着竖向荷载的增加，桩体沉降量与竖向荷载关系从线性关系转为非线性，竖向荷载越大，曲线的弯曲幅度越大，此时桩周土出现了较大范围的塑性变形。随着水平位移的增大，桩体倾斜，此时竖向荷载由中心荷载转化为偏心荷载，这对桩身沉降有着一定的影响。
论文作者:漆首栋
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
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