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来源：职称驿站所属分类：交通运输论文 发布时间：2012-06-28浏览：55次
摘要：拟建的城市道路在设计中选用水泥土搅拌桩对软弱淤泥层进行地基加固处理，针对工程设计中遇到的一种情况，即土层中有很深厚的淤泥层，桩端无法到达较硬土层，本文用Marc软件进行了模拟，以分析此时的有效桩长。
关键词：水泥土搅拌桩；复合地基；有效桩长；Marc软件
1工程概况
拟建工程的位于常德市,临澧县城东部，规划为城市Ⅱ级主干道，道路总长约2.5km，含道路及配套管沟。工程所在区域属中亚热带向北亚热带过渡的湿润季风气候。气候温和，热量丰富，无霜期长，冰冻较弱；日照充足，春季寒潮频繁，秋季寒露风活跃；雨水充沛，年平均降水量1253.1毫米，但分布不匀，春末夏初雨水集中，并多暴雨，伏秋干旱常见；四季分明，季节性强。气温北高南低。县境历年平均(系指1959-1985年的平均数，下同)气温：北部17.1-17.3℃，中部16.4℃，南部16.5-16.7℃；极端最低气温，北部-13℃，中南部-15.7℃。
根据钻探资料，场地的岩土层按其成因分类主要有：第四系人工填土层（Q4ml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系上更新统河流相冲积层（Q3al）、残积层（Qel）及白垩系碎屑岩（K）和下古生界混合岩（Pzl），其中白垩系碎屑岩（K）和下古生界混合岩（Pzl）呈断层接触。
2地基处理方案的选择
对于本工程建设影响最大的是第四系全新统海陆交互相沉积层的淤泥②1、贝壳②2、淤泥质粉砂、淤泥质细砂层②3及第四系上更新统河流相冲积淤泥质粉质粘土及淤泥质粘土层③4，以上软土层在场地内普遍发育，分布广，尤其在场地东部，揭露厚度大。由于淤泥、淤泥质粉质粘土及淤泥质粘土具有“三高三低”的特性，贝壳及淤泥质粉砂、淤泥质细砂层承载力也较低，且具液化性，工程性质差，利用以上软土作为地基持力层时，在自重及持续的交通荷载作用下，很可能会因为软土强度不足造成地基破坏，或者由于软土固结沉降缓慢引起较大的工后沉降而造成上部结构的破坏。因此，本工程主要需解决的问题就是对场地软土地基的加固处理。
根据设计要求：道路部分要求持力层承载力容许值100kpa，管廊、管沟均采用钢筋砼箱状结构，管廊部分要求承载力特征值100kpa，管沟要求承载力特征值120kpa。经过各种方案的对比与选择，地基处理方法定为以水泥土搅拌桩对软弱淤泥层进行地基加固处理，当部分地段淤泥层较浅时，可选用换填垫层的方法以节约成本。
3搅拌桩有效桩长分析
3.1问题的提出
根据本工程岩土工程详细勘查报告，本场地广泛分布淤泥、淤泥质土，局部地段还揭露了两层淤泥、淤泥质土层，以及软塑状(粉质)粘土和松散细砂层，淤泥层厚度不一，统计发现场地的东南角为淤泥层深厚埋藏区，平均厚度约11～12米，最厚达到19.15米，因此，在利用搅拌桩对软弱淤泥层进行地基加固处理的设计中，便会遇到这样一种情况，即土层中有很深厚的淤泥层，此时水泥土搅拌桩的桩身大部分都存在于淤泥层中，桩端无法到达较硬土层，此时是否存在有效桩长，如果存在，有效桩长大概为多少米。因为超过有效桩长的部分对地基处理已效果不大，明确有效桩长对设计是否合理会有很大的帮助。
针对这种情况，本文结合现有的研究成果，利用大型有限元分析程序MSC.Marc，建立三维弹塑性分析模型，对水泥土搅拌桩复合地基在桩端未到达硬持力层时的有效桩长进行群桩状态下的研究。
3.2有效桩长的确定依据
在本文以下的计算分析中，对有效桩长的确定依据是：按桩顶沉降来确定有效桩长。
具体定义陈述如下：当桩其它条件（例如桩的形状、截面积大小、桩身材料、桩顶荷载、置换率等）及地基土的特性一定时，在某定量荷载的作用下，随着桩长的增大，桩顶沉降减小渐趋缓慢，当桩长超过某一定值时，桩的沉降变化率几乎为零，取桩顶沉降与桩长关系曲线上桩顶沉降减小速率已经很小的某一点（即沉降与桩长关系曲线上的拐点）所对应的桩长即为桩的有效桩长。
3.3有限元模型的建立
3.3.1计算所采用的假定
为使问题简化，本文在进行复合地基性状分析时作了如下假定：
（1）采用总应力法分析计算。利用对称性，取其四分之一进行计算；
（2）桩截面形状以正方形代替圆形，按等面积替换的原则计算边长；
（3）承台和桩体按线性弹性材料考虑，符合广义虎克定律；
（4）土体模型采用ParabolicMohr-Coulomb弹塑性模型；
（5）在承台外大于n倍承台宽的土体的影响可以忽略不计，n的具体数值需要试算确定。
3.3.2计算模型的选取
本文选取的计算模型为4×4＝16桩带承台复合地基（图1～图3），其具体相关参数如下：
（1）水泥土搅拌桩
桩径：D＝0.5m，等面积替换成方形桩，a＝0.44m；
桩间距：取两倍桩径，即d＝1.00m；
重度：取决于桩周土层状况，与桩周土体重度取相同值；
（2）褥垫层
L×B＝4.00m×4.00m；
为砂石垫层，根据经验取：重度γ＝20.5kN/m3，厚度t=300mm。
（3）钢筋砼底板
重度γ＝24.5kN/m3，厚度t=300mm。
为了有限元建模和计算方便，垫层和底板采用相同的尺寸，即L×B＝4.00m×4.00m；
考虑到模型的对称性这一特点，取其1/4进行分析。
（4）计算单元及网格的划分
为了减少单元数目，三维有限元分析的区域大小及其网格的划分是在试算的基础上进行的，其确定原则是：复合地基的应力与位移分布不随边界尺寸的增减而有明显变化，在高应力梯度区，单元应尽可能小；在边界附近，单元可以适当划大些；单元密度由内到外，压缩土层由上到下逐渐稀疏。
有限元基本模型按照以上剖分原则，单元类型采用空间8结点等参单元，共剖分7318个单元，8291个结点。
图1布桩平面示意图（m）图2土体计算区域平面图（m）图3土体计算区域竖向剖面图（m）
（5）土体
土层深度取20米，土层情况为：第一层为杂填土，土层厚度为2米；以下全为淤泥层，层厚为18米。土层具体情况详表1。
表1土层计算参数表1
层号 土类名称 层厚 重度 压缩模量 粘聚力 内摩擦角
(m) (kN/m3) (MPa) (kPa) (度)
1 杂填土 2.00 18.5 3.85 12.00 12.00
2 淤泥 18.00 16.0 1.9 7.50 3.20
在MARC计算中，设为弹塑性模型的土体需要输入两个重要参数，即和，它们由土体的粘聚力和内摩擦角决定，其对应关系为：
（1）
（2）
（3）
输入参数的计算结果如下表所示：
表2土层计算参数
层号 土类名称 α (MPa)
β(MPa-1)
1 杂填土 0.0688 0.02078 0.00191
2 淤泥 0.0186 0.01299 0.00083
（6）边界条件的确定
位移边界条件：左右侧边界（X向）采用X向约束支座，以约束X方向移动位移；前后侧边界（Y向）采用Y向约束支座，以约束Y方向移动位移；下边界采用Z向约束支座，以约束Z方向移动位移；上边界为自由边界。
荷载边界条件：定义为面荷载，取P＝120kPa。
3.4计算得到的结果
通过对这种情况进行有限元模拟计算，得到了桩端无法到达硬持力层时沉降S随桩长L的变化关系曲线图如图4所示。
图4桩端未到达硬持力层时沉降随桩长的变化关系图
4结论
从图中可以看到，沉降曲线上的“拐点”较为明显，在14～15m左右处，说明如果用搅拌桩来进行地基处理，对于桩端未到达硬持力层时这种情况，仍然存在有效桩长这一问题。并且，相对于水泥土搅拌桩在普通土层中的有效桩长，此时有效桩长在数值上较大（一般土体中搅拌桩的有效桩长在10至15m左右）。
关于图中曲线，还能发现如下现象，虽然此时有效桩长较长，但当桩长到达有效桩长的长度时，桩顶沉降还是相当的大的，此例中仍有70mm左右，这在一般设计中，如果从沉降的控制角度来说，是达不到要求的，这就说明要通过其它手段（例如增大置换率或桩身刚度），来使沉降满足相关设计要求，也就是说，对于桩端未达到硬持力层时的搅拌桩复合地基设计，选择合适的置换率非常重要，而对于这种工程的施工，成桩质量将对地基处理的效果起决定性影响。
需要指出的是，当桩长达到有效桩长后，如果继续增加桩长，桩体沉降还在继续减小，只是幅度已非常缓慢。这主要是由于复合地基的沉降由加固体和下卧层的两部分沉降组成，对于本文所讨论的这种土层情况而言，下卧层的沉降占总沉降相当大的部分，当桩长超过有效桩长后，增加桩长对提高承载力已效果不大，但有效桩长以下的桩体，对于减少下卧层的压缩量还是有一定意义的，因此适当地加长桩体的长度，对于减少复合地基的沉降还是有一定的好处。工程中，应根据具体要求，对达到有效桩长后的桩长进行认真分析，从而进行有效的处理。
参考文献
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[2]曾友金，章为民.按桩顶沉降控制法确定普通桩有效桩长[J].工程勘察，2002,32(6)
[3]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,1994,16(4):1～8
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[5]张忠坤，殷宗泽，曹正康.复合地基临界桩长的研究[J].岩土工程学报,1997,21(2):184～188
《城市道路水泥土搅拌桩有效桩长分析》
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文章名称： 城市道路水泥土搅拌桩有效桩长分析
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