搅拌桩复合地基桩土相互作用及变形特性数值仿真.pdf

Vol.49,No.9September,2023搅拌桩复合地基桩土相互作用及变形特性数值仿真刘陈凤,相福颖,季圣博,李文闻（常熟理工学院，江苏苏州2 1 5 5 0 0）摘要：水泥搅拌桩复合地基可以有效地解决地基承载力不足的问题,在市政工程中的使用日益广泛。目前，针对水泥搅拌桩复合地基的研究还未广泛开展，其承载机理和受力特性有待阐释。通过数值模拟的方法研究模拟单桩荷载传递规律，并基于对不同工况的模拟数据，阐释搅拌桩复合地基的变形特性。结果表明：水泥搅拌桩的单桩承载力要考虑其桩长和桩土界面摩擦角；桩长不足时考虑增加搅拌桩处理范围或者联合其他地基处理方法，以减小沉降。关键词：水泥土搅拌桩；复合地基；桩土相互作用；三维数值模拟中图分类号：TU473文章编号：1 6 7 2-40 1 1(2 0 2 3)0 9-0 0 6 8-0 4D01:10.3969/j.issn.1672-4011.2023.09.027Numerical simulation of soil interactionand deformation characteristics of mixingpile composite foundationLIU Chenfeng,XIANG Fuying,JI Shengbo,LI Wenwen(Changshu Institute of Technology,Suzhou 215500,China)Abstract:Cement mixing pile composite foundation can effective-ly solve the problem of insufficient bearing capacity of founda-tion,and it is increasingly used in municipal engineering.Atpresent,the research on the composite foundation of cement mix-ing pile has not been widely carried out,and its bearing mecha-nism and force characteristics still need to be explained.In thispaper,we study the simulated monopile load transfer law by nu-merical simulation and explain the deformation characteristics ofthe composite foundation of mixed pile based on the simulationdata of different working conditions.The results show that the pilelength and the friction angle of the pile-soil interface should beconsidered for the monopile bearing capacity of cement stirredpile;when the pile length is insufficient,increase the stirred piletreatment range or combine with other foundation treatment meth-ods to reduce the settlement.Key words:cement-soil mixing pile;composite foundation;pile-soil interaction;three-dimensional numerical simulation0 引 言近年来，我国城市市政建设取得长足发展，搅拌桩复合地基桩在道路路基处理上得以广泛的应用。搅拌桩复合地基桩作为加固软土地基的一种较为有效的方法,适用土质类收稿日期：2 0 2 2-0 3-3 0作者简介：刘陈凤（1 9 9 9 一），女，江苏连云港人，在读本科，主要学习和研究方向：工程管理。685川建材Sichuan BuildingMaterials型广泛,加固深度大,并且适用的工程范围广,因此,在路基处理中日益普及。针对于水泥搅拌桩复合地基的承载机理和受力特性，众多学者都展开了一定的研究，如段继伟等 对水泥土桩的荷载传递特性进行了研究，刘惠康【2 研究了水泥搅拌桩复合地基的承载力，秦景等 3 对荷载水平、桩长和桩土面积置换率展开研究,刘平平 4 对水泥搅拌桩复合地基展开模型试验研究并进行数值分析。众多研究得出了不同土层分布、不同桩身模量等诸因素对复合地基沉降、桩端应力、桩的承载力的影响规律。文献标志码：B但以上研究都局限于用现场荷载实验来复合地基承载力,且集中对水泥土搅拌桩进行定性分析，而定量分析却停留于经验层面甚至被忽视，缺乏符合实际工程需要的理论公式，且我国幅员辽阔，各地工程的地质、水文等条件存在较大差异,各地的项目可借鉴性不强，对于类似深厚软土中搅拌桩复合地基承载机理和变形特性的研究更加稀少 5-6 。本文从浙江省瑞安市某围垦区市政道路项目出发，采用数值模拟方法，模拟搅拌桩复合地基施工全过程，首先基于地勘资料和平面设计建立水泥搅拌桩复合地基的三维数值仿真模型,通过单桩承载力模拟验证了模型的合理性与精确性，然后研究模拟单桩荷载传递规律，最后基于上述两个典型工况的模拟数据，总结搅拌桩复合地基的变形特性，为相关工程施工优化和决策提供科学的参考依据。1工程概况1.1工程简介浙江省瑞安市某围垦区市政道路项目中的凤凰路（隆山路-滨江大道)路段采用搅拌桩复合地基，是整个软基处理工程中的重难点。凤凰路(隆山路滨江大道)在一般路段未围捻区域使用水泥搅拌桩进行地基处理，水泥搅拌桩处理后，完工标高为2.5 m，水泥搅拌桩桩径长5 0 cm，机动车道桩长8 m,非机动车道桩长6 m,桩中心距1.1 m，群桩布置形式采用梅花型布置。在桥台处采用水泥搅拌桩进行地基处理，桩间土标高与桩顶标高相同，水泥搅拌桩桩径长5 0 cm，桩长15m,桩中心距1.1 m,群桩布置形式采用梅花型布置。1.2工程地质条件此场地原始条件系冲海积河漫滩，后经过围垦回填变为工业园区用地，属于海积平原。凤凰路（隆山路一滨江大道）路段地势较低，局部存在低洼积水和水坑。勘探地层范围自上而下分为杂填土、含粉砂淤泥、淤泥、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土和圆砾等。桩长为6 1 5 m，故而模拟杂填土、淤泥质粉质黏土、淤泥和淤泥质黏土地层。从地勘报告和参数指标可以得知,搅拌桩所在的土层呈现出流塑状、强度低、压缩性大等特性，工程性质极差，对于搅拌桩复合地基施工的变形控制相对不利。第49 卷第9 期2023年9 月第49 卷第9 期2023年9 月2数值模拟研究2.1土层划分和材料参数本文数值模拟中采用的模拟参数来源于凤凰路现场试验的地质勘测报告。数值模拟中，地基计算深度为40 m，计算深度内土层划分为4层，分别为素填土、淤泥质粉质黏土、淤泥和淤泥质黏土，其分布如图1 所示。素填士淤泥质粉质黏土5川建材SichuanBuildingMaterials2.3数值模型建立本工程采用表1 和表2 中的计算参数对凤凰路一般路段的水泥搅拌桩单桩承载力进行模拟，使用的三维数值模型单元划分见图2。Vol.49,No.9September,2023填土揽拌桩燃泥滋泥质黏土1淤泥质黏王2淤泥061三淤泥质黏王X图1 模型土层划分图2 单桩承载力三维模型网格划分图本文数值模型中使用的土体本构模型为摩尔库伦模型，通过在单桩顶部进行分级加载模拟水泥搅拌桩单桩承其参数包括土体重度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力等，具体参数见表1。本文数值模型中，水泥搅拌桩采用弹性模型进行模拟，其密度为2 3 0 0 kg/m，弹性模量为1 2 0 MPa,泊松比为0.1 5。淤泥质土层素填土粉质黏土土层厚度/m3.5重度/(kN m-3)2 000渗透系数/(cm s-1)105弹性模量/MPa15.00泊松比0.25内摩擦角/(）15.0粘聚力/kPa21.02.2接触面设置及参数取值为了模拟桩土之间的相互作用，在仿真模型的桩土界面上设置了接触面。FLAC3D中的接触面单元为弹性-理想塑性单元,其库伦滑动主要控制参数为：法向和切向刚度、黏聚力、摩擦角和剪胀角，其界面分离主要控制参数为抗拉和抗剪强度。本文数值模拟在桩土接触面单元上使用了有效应力分析模式，模拟发现桩周土体中的孔压发展对接触面的力学响应有显著影响。数值模拟中选取的法向与切向刚度值需要适用于桩土之间的相对运动，太低的刚度值会导致法向相对位移大于2 0%相邻单元尺寸，从而发生网格错误；太高的刚度值则会导致动力计算系统的失效和收敛困难。数值模拟中所采用的桩土接触面参数如表2 所示。表2 桩土接触面参数取值表接触面参数素填土层法向刚度/(kPam-1)2.12 10 6切向刚度/(kPam-1)8.58 105摩擦角）7.5粘聚力/kPa5.0载力试验过程，提取桩单元的位移和顶部施加的压力，可以获得单桩的荷载位移（QS）曲线,如图3 所示。从图3可以看出，当荷载增加到9 0 kN,水泥搅拌桩的位移开始急剧表1 土层参数汇总表增大,因此，数值模拟获得的水泥搅拌桩单桩承载力约为淤泥质淤泥黏土5.019.017421 53910 61075.424.300.300.356.56.014.113.2淤泥质粉质黏土层2.12 10 68.58 1053.253.590kN。此结果与现场试验得到水泥搅拌桩单桩承载力2.594kN较为接近,验证了数值模型的合理性和精确度。171151074.880.356.815.5荷载/kN3060OF5F102530图3 水泥搅拌桩单桩荷载-沉降曲线在完成单桩模型验证的基础上,本文建立了水泥搅拌桩复合地基路堤模型，其三维数值模型如图4所示。为了加快计算速度,模型利用路堤的对称性，在左侧边界施加对称边界条件,利用一半的模型网格模拟整个路堤的变形特性。淤泥质黏土1淤泥质黏王2碎石图4水泥搅拌桩复合地基路堤模型90120填土1填土2机动车道桩人行道路基淤泥69Vol.49,No.9September,20233单桩承载力3.1桩长的影响图5 为不同桩长条件下的单桩荷载沉降曲线的分布图。由图5 可知，随着桩长的增加，水泥搅拌桩的荷载沉降曲线不断右移，说明单桩的极限承载力和承载力特征值均随着桩长的增加而不断增大。0.2oF-0.2F50.40-0.8F-止-1.2F-1.405010015020025030035040C荷载KN图5 桩长对于单桩荷载沉降曲线的影响观察荷载沉降曲线可知，当水泥搅拌桩的桩长分别为8、15、2 0 m 时，其对应的极限承载力分别约为9 0、2 3 5、2 9 5 kN。当桩长从8 m增加至1 5 m时,水泥搅拌桩单桩极限承载力增加了1 45 kN；而当桩长从1 5 m增加至2 0 m时，水泥搅拌桩单桩极限承载力仅增加了6 0 kN。极限承载力增长率从约2 1kN/m降低至1 2 kN/m。此规律说明,随着桩长的不断增加,其每m增加的极限承载力值不断下降，意味着水泥搅拌桩存在1 个有效桩长，超过此桩长后，单桩的极限承载力基本不再增加。采用有效桩长公式进行计算，可以获得本项目凤凰路地层中的水泥搅拌桩有效桩长约为3 2.7 m。当桩长超过此长度后，水泥搅拌桩的单桩极限承载力基本不再增加。图6 为1 5 m和2 0 m的水泥搅拌桩在1 0 0 0 kPa荷载时的桩身轴力分布情况。由图可知，当桩长较短时,桩身轴力沿深度衰减更快,2 0 m的水泥搅拌桩下部1 5 2 0 m的轴力基本不变，此现象说明此范围水泥搅拌桩还未参与承载。00F5101520图6 不同桩长的水泥搅拌桩桩身轴力分布曲线（荷载1 0 0 0 kPa)3.2桩土界面摩擦系数的影响图7 为不同桩土界面摩擦角条件下获得单桩荷载一沉降曲线。由图可知,随着桩土界面摩擦角的增大,单桩的荷载一沉降曲线上曲率最大的点不断右移，说明随着单桩的极限承载力不断增大，单桩抵抗变形的能力在增强。0200400600,800100g0.0F5-0.2F营：0.4F-0.6F+土体摩擦角。主体摩操角-0.8F一0 王体摩擦角1 3图7 桩土界面摩擦角对于单桩承载力的影响.705川建材SichuanBuildingMaterials当桩土界面摩擦角为土体摩擦角的1/3 时，单桩极限承载力为7 8 kN，当桩土界面摩擦角等于土体摩擦角时，单桩极限承载力增大到1 3 7 kN，增大了约1.7 倍。图8 为单桩极限承载力随着桩土摩擦角比的增长曲线图，可以看出,单桩极限承载力随着桩土摩擦比的增大基本呈现出线性增大的趋势。140F80桂长8 m+框长1 5 m+桂长2 0 m轴力/kN501001502008桩长1 5 m0桩长2 0 m荷载/kPa第49 卷第9 期2023年9 月600.40.60.81.0桩土摩擦角比图8 桩土摩擦角比对于单桩承载力的影响图9 为荷载40 0 kPa时不同桩土界面摩擦角条件的桩身轴力沿深度的分布曲线。整体上来看，在所有的桩土界面摩擦角条件下,桩身轴力沿深度的分布都是逐渐衰减的。在相同深度处,桩身轴力随着桩土界面摩擦角的增大而减小，此效应在4 8 m表现得尤其明显。此外，当桩土界面摩擦角与土体摩擦角相同时，桩身下部5 8 m的桩身轴力基本一致,此现象说明此时桩顶荷载主要由上部桩身和周围土体的摩擦力承担，下部桩身还未明显承载。2U/6820304050607080桩身轴力KN图9 不同桩土界面摩擦角桩身轴力沿深度分布曲线3.3水泥搅拌桩复合地基荷载传递规律图1 0 为路堤堆载结束后复合地基中的应力张量图。从图中可以看出，在桩间土上路堤荷载中主应力矢量发生了偏转,即路堤荷载发生了转移。随着填土高度的增加,桩间土上方的路堤荷载逐渐由桩帽顶承担，因此，桩帽顶出现了应力集中现象，即通常所说的土拱效应。图1 0 路堤堆载下复合地基应力张量3.4水泥搅拌桩复合地基变形规律图1 1 为一般路段路堤施工堆载过程造成的复合地基瞬时沉降分布曲线。由图可知，一般路段路堤施工完成后的最大沉降发生在路基中心线处,沉降量为5 7 mm。随着距路堤中心距离加大，地基表面沉降逐渐减小，在距离路基中心线约土体摩擦角口主体摩擦角2 36-0主体摩擦角1 2Zone Tensor StressScale:1.675150-06ColorByMaximum2.4601E+040.0000E+00-5.0000E+04-1000E405-1.5000E-052.0000E+05.2.5000E+05-3.0000E+05-3.5000E+054.0000E+05-4.5000E+05-5.0000E+05-5.5000E+056.0000E+056.5000E-05-7.0000E+05-7.5000E+05-7.7234E+05第49 卷第9 期2023年9 月18m处路基沉降为0。在路堤右侧的地面发生了明显隆起，在距路基中心线3 0 m以外区域地基表面最大产生约7 9 mm的隆起量,整个地基表面沉降曲线呈倒钟型分布。随着路堤堆载的不断进行，路基中心线处的荷载不断增大。在同一荷载水平的作用下，随着距路堤中心距离加大，桩端平面沉降逐渐减小,在距路基中心线约1 8 m处,地基土体沉降量为0。：宝查层荷载砂石垫层层荷载40506002.-4.08101214161820距路基中心线距离/m图1 1 一般路段路堤施工堆载复合地基瞬时沉降分布4结论本文通过三维数值仿真，对水泥搅拌桩复合地基的桩土相互作用及变形特性进行了较为系统的研究。主要考虑桩土界面摩擦角和桩长对于单桩极限承载力的影响，得出的主要结论如下。1)数值仿真结果表明本项目在一般路段中采用的8 m长度的水泥搅拌桩极限承载力为9 0 kN，与现场试验得到的极限承载力结果基本一致。2)水泥搅拌桩的单桩承载力主要取决于其桩长和桩土5川建材SichuanBuildingMaterials界面摩擦角，但其桩身轴力的分布受到桩土界面相对位移的控制。3)施工完成后的瞬时沉降结果表明，桥台后路堤的瞬时沉降满足施工要求，而一般路段路堤的瞬时沉降较大，建议考虑增加搅拌桩处理范围或者联合其他地基处理方法，以减小沉降。4)水泥搅拌桩的桩长分别为8、1 5、2 0 m时,对应的极限承载力分别约为9 0、2 3 5、2 9 5 kN，存在1 个有效桩长，超过桩长后单桩承载力的增加不再明显。ID:015511 水泥稳定碎石层荷载路面结构层荷载Vol.49,No.9September,2023参考文献：1段继伟，龚晓南，曾国熙.水泥搅拌桩的荷载传递规律 J.岩土工程学报,1 9 9 4,1 6(4):1 -8.2刘惠康.水泥搅拌桩复合地基承载力问题研究 D.广州：华南理工大学,2 0 1 5.3秦景，路威，朱俊臣，等.复合地基中桩土面积置换率的确定及计算方法 J.施工技术，2 0 1 3,5 6（S2）：1 40-1 42.4刘平平.水泥搅拌桩复合地基模型试验研究及数值分析 D.赣州：江西理工大学，2 0 1 6.5茹杉杉.水泥土搅拌桩复合地基的沉降特性及其数值模拟分析 D.天津：天津大学,2 0 1 8.6李俊妞.水泥土搅拌桩复合地基受力机理分析 J.黑龙江科技信息,2 0 1 0,1 4(2 5)：2 5 0-2 5 1.(上接第6 7 页)5)在注浆工程中,单一的外掺剂往往难以满足工程的需求。因此,复合外掺剂之间的相互作用以及对材料性能最终的影响效果也将成为未来的研究热点。ID:015502 参考文献：1王卫东，丁文其，杨秀仁，等.基坑工程与地下工程：高效节能、环境低影响及可持续发展新技术 J.土木工程学报，2 0 2 0,5 3(7):78-98.2刘汉龙，赵明华.地基处理研究进展 J.土木工程学报，2 0 1 6，49(1):96-115.3杨米加，陈明雄，贺永年.注浆理论的研究现状及发展方向J.岩石力学与工程学报,2 0 0 1,2 0（6）：8 3-8 4.4徐前卫，张骏.运营高速铁路桩筏复合路基现场注浆减沉试验研究 J.土木工程学报，2 0 1 3,46（1 2）：9 7-1 0 8.5Shengli L,Tingting X.Effect of Nanosilica on the Fresh Propertiesof Cement-Based Grouting Material in the Portland-Sulphoalu-minate Composite System J.Advances in Materials Science&En-gineering,2016;1-10.6周茗如，彭新新，苏波涛，等.普通水泥与超细水泥注浆性能分析及其黄土注浆效果对比研究 J.硅酸盐通报,2 0 1 7,3 6（5)：73 78.7沙飞，刘人太，李术才，等.运营期渗漏水隧道注浆材料适用性J.中南大学学报（自然科学版）,2 0 1 6,47（1 2）：6 3-6 6.8Canakci H,H Gullu,Isam M.Effect of glass powder added grout fordeep mixing of marginal sand with clay J.Arabian Journal forScience and Engineering,2018,43(4):1583-1595.9李亚刚，廖宜顺，刘艳玲，等.超细矿渣粉和偏高岭土对硫铝酸盐水泥水化和强度的影响J.硅酸盐通报，2 0 2 1,40（5）：9-10.10霍冀川,卢忠远，吕淑珍,等.工业废渣代替粘土生产普通硅酸盐水泥的研究 J.矿产综合利用,2 0 0 1,2 2（5）：3 6-40.11 M Sonebi M.Optimization of cement grouts containing silica fumeand viscosity modifying admixture J.Journal of materials in civilengineering,2010,22(4):332-342.12 Bernal S A,Nicolas R S,Van Deventer J S J,et al.Alkali-activa-ted slag cements produced with a blended sodium carbonate/sodi-um silicate activator J.Advances in Cement 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