软土地基水泥土挤密桩单桩承载特性及复合地基荷载传递规律研究

摘 要：针对水泥土挤密桩的承载特性以及变形沉降问题，文章以广西某软土地基施工项目为研究背景，在现场监测试验结果的基础上，通过有限元数值仿真分析方法，研究了桩周土体的含水率、干密度以及桩长、桩径等因素对水泥土挤密桩单桩承载特性的影响。同时，在明晰单桩承载特性的基础上，为进一步指导现场施工，建立了复合地基模型，揭示桩-土界面含水率以及干密度对荷载传递机制的影响。研究成果可为相似的地基工程提供参考。

关键词：地基承载力；数值仿真分析；单桩承载力；复合地基

中图分类号：U416.10

引言

软土地基在城市建设和基础设施工程中广泛存在，由于其自身受力性能较差，受荷易产生大变形，导致其在承载特性和稳定性方面面临一系列的挑战［1-2］。为了提高软土地基的承载能力和改善地基的稳定性，各种地基改良技术被广泛研究和应用［3-4］。在这些技术中，水泥土挤密桩作为一种有效的地基处理手段，已经在实际工程中得到了广泛应用［5］。水泥土挤密桩主要通过在软土地基中挤入水泥土浆，形成密实的桩体，以提高地基的承载能力和稳定性。

大量学者对水泥土挤密桩加固地基进行了研究，主要集中在桩的设计与施工、桩体的力学性质、桩-土相互作用机制、桩的长期行为、复合地基的应用等方面。单泽涛等［6-8］主要关注水泥土挤密桩的力学性质，包括桩体的承载力、变形特性、刚度等，并通过室内试验和现场监测，研究了桩体在不同工况下的力学响应。司翔等［9-10］对水泥土挤密桩与桩周土体的相互作用进行了深入研究，包括桩与土体的侧向土压力分布、土体的固结效应以及桩与土体之间的摩擦力等。综上所述，在水泥土挤密桩的研究方面已经积累了大量的理论和实践经验，水泥土挤密桩的加固效果主要靠桩的侧摩擦阻力发挥效用，并且复合地基的荷载传递机制受土体干密度、含水率、桩长、桩径以及褥垫层等因素的影响。然而，针对上述影响因素对水泥土挤密桩的荷载传递机制的系统研究鲜有报道。

因此，本文以广西某地基施工项目为研究背景，在现场监测试验结果的基础上，通过有限元数值仿真分析方法，系统研究了桩周土体的含水率、干密度以及桩长、桩径等因素对水泥土挤密桩单桩承载特性的影响。在明晰单桩承载特性的基础上，为进一步指导现场施工，建立了复合地基模型，揭示桩-土界面含水率以及干密度对荷载传递机制的影响。研究成果可为相似的地基工程提供参考。

1"水泥土挤密桩单桩现场试验

1.1"现场试验工点

拟建场地位于广西某工点处。场地主要由粉质黏土填料与粉砂质泥岩破碎填料按照一定比例进行混合后进行填筑压实。地层情况主要分为两层，从上至下依次为：粉质黏土，厚度为8.5～10.2 m，呈褐色，主要作为场地回填土；粉砂质泥岩，厚度为5～6 m，质地较密，矿物成分中包含赤铁矿，呈红褐色。由于场地土体较软，荷载作用下沉降变形显著，在现场选择使用水泥土挤密桩对其进行加固。

1.2"单桩承载力现场试验

现场使用的水泥挤密桩桩径为0.5 m，有效桩长约为12 m，桩间距为1 m，施工采用的32.5级复合水泥，水泥掺量为18%，桩端持力层为粉砂质泥岩。基于现场静荷载试验对水泥土挤密桩的单桩承载力进行了监测，随机选取5根典型桩绘制其竖向承载力特性曲线，如图1所示。

由图1可知，抽检的5根水泥挤密桩的单桩静载竖向承载曲线变化较缓，现场试验加载到240 kN时，单桩的最终沉降量为8.74～13.28 mm。根据规范要求，单桩竖向承载力的极限值可以取沉降量为40 mm所对应的荷载与最大试验荷载中的较小值。因此，根据本次试验结果，该处地基承载力的最大值取为240 kN，特征值为120 kN，已经达到设计要求。受时间和经费的限制，现场试验无法对桩-土进行全面研究，为充分研究水泥土挤密桩单桩及复合地基的承载特性和荷载传递机制，后文将通过有限元软件对其进行分析。

2"单桩承载特性研究

2.1"建立有限元分析模型

数值计算模型尺寸如图2所示。其中，水泥土挤密桩的桩径为0.5 m，桩长为12 m，第一层粉质黏土厚度为10 m，下部粉砂质泥岩厚度为5 m，整个模型宽度为16 m。为提升计算精度和计算效率，在划分网格时采取局部加密的方式进行划分，其中水泥土搅拌桩的网格尺寸为0.4 m，桩周土体的网格尺寸统一设置为1.0 m。

水泥土挤密桩与桩周土体材料均使用弹塑性本构模型。具体计算参数如表1所示，其中粉质黏土、粉砂质泥岩和水泥土挤密桩的材料参数均来自于现场工点的勘察报告。

2.2"计算工况设置

数值计算时桩周土体含水率共计设置8%，10%和12% 3种工况；桩周土体干密度共计设置1.75 g/cm3、1.80 g/cm3以及1.85 g/cm3 3种工况；桩长共设计10 m、12 m和14 m 3种工况；桩径共设计0.4 m、0.5 m以及0.6 m 3种工况。加载时为避免桩周土体的影响，上覆荷载选择直接加在桩顶，按照表1中桩的抗压强度进行加载设计，最大荷载选为500 kPa，分10次进行加载，每级荷载为50 kPa。

2.3"数值结果分析

2.3.1"桩周土体干密度及含水率的影响

由于数值模拟采用的是单因素分析法，所涉及组数较多，受篇幅限制，本文仅展示部分计算结果。研究干密度对桩-土荷载传递机制的影响时，以含水率为10%、荷载为300 kPa工况为例，变更粉质黏土的干密度，所得结果如图3所示。由图3可知，不同干密度条件下桩身侧摩阻力随深度的变化趋势大致相同，均随着深度的增加呈现非线性减小的特征。值得注意的是，不同干密度条件下水泥土挤密桩的侧摩阻力均在深度＜4 m时较大，而当深度＞4 m后，侧摩阻力衰减较快。造成这一现象的原因可能是受水泥土挤密桩的作用机制的影响，由于其自身的刚度较低，在竖向荷载作用下部分荷载压力会传递至桩身，桩身发生压缩变形，将一部分能量以弹性势能的方式进行存储，而另一部分能量则被桩-土相互作用承担。

同时，桩身受压时会产生侧向变形，侧向变形也会增加其侧摩阻力，但是由于变形主要集中在桩身上部，导致更深层桩身的侧摩阻力不能被完全激发出来。

研究含水率对桩-土荷载传递机制的影响时，以干密度为1.80 g/cm3、荷载为300 kPa工况为例，变更粉质黏土的含水率，所得结果如图4所示。由图4可知，在相同干密度条件下，在桩身4 m以上区域，8%含水率所对应的侧摩阻力最大，而含水率为10%所对应的侧摩阻力最小；在桩身4 m以下区域则相反，8%含水率所对应的侧摩阻力最小。通过对比不同干密度下的计算结果可知，当干密度较大时，含水量对侧摩阻力的影响较小。

2.3.2"桩长影响

研究桩长影响时，以0.5 m桩径、荷载为300 kPa工况为例进行分析（干密度为1.80 g/cm3，含水率为10%），变更水泥土挤密桩的桩长，所得结果如图5所示。由图5可知，与上文分析一致，在4 m以内的浅层区域，不同桩长的水泥土挤密桩的侧摩阻力变化趋势大致相同。随着深度的不断增加，不同桩长的水泥土挤密桩的侧摩阻力开始发生变化，在4 m以下的同一深度处，桩长10 m的水泥土挤密桩的侧摩阻力最大，而桩长为14 m的则最小，即较短的桩长反而可以承担更大的竖向荷载。因此，对于水泥土挤密桩来说，在实际施工时桩长并非越长越好，而是要选择合适的长度，以提升工程的经济效益。

2.3.3"桩径影响

研究桩径影响时，以12 m桩长、荷载为300 kPa工况为例进行分析（干密度为1.80 g/cm3，含水率为10%），变更水泥土挤密桩的桩径，所得结果如图6所示。由图6可知，在加固的浅层区域，桩径越小侧摩阻力反而越大。该结果表明，对于水泥土挤密桩来讲，桩径也并非越大越好。

通过上述研究明确了桩周土体干密度、含水率、桩长桩径等影响因素对单桩侧摩阻力的影响。然而，实际工程问题中，仅明确单桩的承载性无法进一步指导施工，要通过数值仿真分析进一步研究水泥土挤密桩复合地基的工程特性。因此，后文通过建立水泥土挤密桩复合地基的数值模型，对复合地基的荷载-沉降关系以及桩-土应力比进行研究。

3nbsp;复合地基沉降特性及荷载传递研究

3.1"复合地基计算模型

根据现场工程实际，建立了水泥土挤密桩复合地基模型（如图7所示），桩径为0.5 m，桩长为12 m，桩间距为1 m，褥垫层厚度为0.3 m，桩土等参数与前文计算参数相同。计算时的桩周土体含水率与桩周土体干密度设置情况与单桩计算时相同。分别研究不同工况下复合地基的荷载-沉降关系以及复合地基的桩土应力比规律。

3.2"结果分析

3.2.1"荷载-沉降关系

在进行复合地基计算时，考虑了褥垫层的影响，也正是因为褥垫层的存在，导致复合地基的沉降变形以及荷载传递与单桩存在较大差异。因此，需要对复合地基的沉降特性进行研究。在研究桩周土体干密度对复合地基沉降影响时，受文章篇幅限制，本节仅以含水率为10%以及干密度为1.80 g/cm3作为典型工况进行分析，绘制复合地基的荷载-沉降曲线如图8和图9所示。由图8可知，含水率相同而干密度不同时，复合地基的沉降曲线变化趋势大致相同，沉降量均随着荷载的增大近似呈线性增大，而且桩周土体的干密度越大复合地基的沉降量越小。由图9可知，在同一干密度而不同含水量条件下的复合地基沉降变化规律近乎一致，各工况间的沉降差值＜1 mm。通过图9还可以观察到，当含水率为8%时，复合地基的沉降最小。

综合对比图8和图9可知，复合地基中地基土的含水率和干密度对复合地基沉降影响较小，这与前文单桩分析时存在较大差异。造成这种现象的原因是由于褥垫层的存在，导致上覆荷载不断地在桩和土体之间调整，使桩-土更好地作用在一起。

3.2.2"桩土应力比关系

不同含水率以及干密度条件下的复合地基的桩土应力比如图10和11所示。由图10、图11可知，水泥土挤密桩的桩土应力比均随着上覆荷载的增加呈先增大再减小的变化规律，而桩周土体的含水率和干密度不影响其变化趋势。通过图10可知，干密度越大，在相同荷载条件下其桩土应力比越小。表明桩周土体越紧实，土体所能承担的荷载就越大，因此桩承担的荷载比例会有所减小。由图11可知，当含水率为8%时，其桩土应力比最小，而含水率为10%时，桩土应力比最大。

4"结语

针对水泥土挤密桩的单桩承载特性和复合地基的变形以及荷载沉降问题，本文通过现场监测试验和数值仿真计算得到如下主要结论：

（1）现场工点的水泥土挤密桩的地基承载力的最大值取为240 kN。

（2）在相同含水率条件下水泥挤密桩单桩侧摩阻力随深度的增加呈现非线性减小的特征，而且水泥土挤密桩在浅层区域发挥的加固效果最为显著。在相同干密度条件下，桩周土体含水率为8%时的侧摩阻力最大。

（3）水泥土搅拌桩主要发挥作用在地基的浅层区域（本文是＜4 m），不同桩长的水泥土挤密桩的侧摩阻力变化趋势不显著。在施工时应选用合适的桩长，并非越长越好。

（4）复合地基受褥垫层的影响，导致桩周土体含水率和干密度对其影响远小于单桩。复合地基的桩土应力比与土体干密度成负相关。

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