摘要：依托某改建工程，采用數(shù)值模擬方法，建立高壓旋噴樁復(fù)合地基三維數(shù)值分析模型，對復(fù)合地基沉降及樁長和樁徑對復(fù)合地基沉降及樁體受力的影響開展研究。結(jié)果表明：復(fù)合地基實(shí)測最大沉降為132.54mm，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合；復(fù)合地基沉降量隨著樁長和樁徑的增大均逐漸減小，樁身軸力隨著樁長的增大逐漸增大，隨著樁徑的增大逐漸減小；該工程高壓旋噴樁樁身軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞。

關(guān)鍵詞：高壓旋噴樁；復(fù)合地基；房建工程；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市用地日趨緊張，建筑工程逐漸向高層、超高層方向發(fā)展[1]。然而，許多城市的建筑地基為軟弱地基，具有低承載力、高壓縮性和高含水量等特點(diǎn)，這對房建工程的穩(wěn)定性和安全性造成了嚴(yán)重威脅[2]。

高壓旋噴樁技術(shù)通過高壓噴射水泥漿液，將地基土體與漿液混合，形成具有高強(qiáng)度和低滲透性的固結(jié)體，從而提高地基的承載能力和穩(wěn)定性[3]。該技術(shù)高效、環(huán)保且適用性廣泛，近年來在建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。

目前，已經(jīng)有多位學(xué)者針對高壓旋噴樁的實(shí)際工程應(yīng)用開展了相關(guān)研究，戶軍杰等[4]研究了高壓旋噴樁在濕軟黃土地區(qū)用于路基加固時(shí)的土體變形影響，提出了簡化施工注漿過程為球形空腔膨脹的模型，并推導(dǎo)了土體位移的計(jì)算方法，驗(yàn)證了其可靠性。戴俊平等[5]以張靖皋長江大橋?yàn)楸尘?，研究了SJT和RJP工藝在70m深黏土層中的成樁質(zhì)量和地基性能，結(jié)果表明SJT工藝在樁體強(qiáng)度、基底摩擦、抗?jié)B和承載力方面表現(xiàn)優(yōu)異。吳凱等[6]針對富水砂層高壓旋噴樁施工中水泥漿流失和成樁質(zhì)量差的問題，依托張家港220kV晨陽至晨港線路工程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究了3種注漿材料的防滲性能，結(jié)果表明高聚物+水泥材料的抗?jié)B性能最佳，可為富水砂層高壓旋噴樁的參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

在現(xiàn)有研究中，針對高壓旋噴樁在房建工程中的應(yīng)用研究相對缺乏，鑒于此，本文依托某改建工程，采用數(shù)值模擬方法，對高壓旋噴樁復(fù)合地基的受力變形規(guī)律開展研究。研究成果可為高壓旋噴樁技術(shù)在房建工程中的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，助力城市建設(shè)的安全與可持續(xù)發(fā)展。

1" "工程概況

本文依托某改建工程，其建筑面積為47955.54m2。工程所在地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫度為20～28℃，年均降雨量為1000mm。場地范圍內(nèi)地表水系為場地西側(cè)水塘，水面海拔約為4m，水深約1.5m，面積約2800m2，水體位于擬建場地內(nèi)，占地面積較大，水量豐富。

場地內(nèi)地下水按照賦存方式可分為包氣帶上層滯水、孔隙水，地下水位隨季節(jié)性降雨發(fā)生變化，一般豐水期水位較高，枯水期水位略有降落，水位埋深年變幅約1.50～2.50m。擬建場地地層主要有素填土層、淤泥層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層、淤泥質(zhì)粗砂層和粉質(zhì)黏土層。

2" "數(shù)值模型與材料參數(shù)

基于實(shí)際工程建立高壓旋噴樁復(fù)合地基三維數(shù)值分析模型，模型深度、長度及寬度均為20m，基礎(chǔ)長度寬度均為4.8m，褥墊層厚度為0.25m，為簡化計(jì)算取1/4模型進(jìn)行分析。

在數(shù)值模擬時(shí)做出如下假設(shè)：假設(shè)土體和旋噴樁的材料在各自區(qū)域范圍內(nèi)是均勻且各向同性的；假設(shè)樁與土體之間的接觸面存在一定的黏結(jié)力和摩擦力，以模擬樁與土體之間的相互作用；假設(shè)土體的初始應(yīng)力狀態(tài)是穩(wěn)定的，確保地基在未受外部荷載作用時(shí)處于平衡狀態(tài)。

采用四邊形網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5m，網(wǎng)格劃分完畢后共有節(jié)點(diǎn)數(shù)4970個(gè)，單元數(shù)4004個(gè)，高壓旋噴樁三維數(shù)值分析模型如圖1所示。在模型四周施加水平位移約束，模型底面設(shè)置為固定邊界，模型上表面設(shè)置為自由邊界。模型各區(qū)域材料參數(shù)如表1所示。

3" "模擬結(jié)果分析

3.1" "模擬值與實(shí)測值對比

加載過程中復(fù)合地基沉降量實(shí)測值與模擬值對比如圖2所示。觀察圖2可知，隨著荷載的增大，高壓旋噴樁復(fù)合地基沉降量逐漸增大。隨著荷載的增加，復(fù)合地基中承受的應(yīng)力增大，導(dǎo)致土體的壓縮變形增大。

高壓旋噴樁通過注漿在土體中形成高強(qiáng)度的樁體，樁體在承受荷載時(shí)，通過樁間土體傳遞荷載，樁土共同承載。隨著荷載的增大，樁體的側(cè)阻力和端阻力也會(huì)逐步增加，但由于土體的應(yīng)力釋放和壓縮，土體的變形更顯著，導(dǎo)致整體沉降量逐漸增大。

復(fù)合地基沉降量模擬值稍大于實(shí)測值，在加載過程中實(shí)測沉降量最大值為132.54mm，模擬值為142.96mm，相差10.42mm。分析認(rèn)為，由于在模擬過程中，地基和樁體的物理力學(xué)參數(shù)設(shè)定得過于理想化，對高壓旋噴樁和周圍土體的相互作用考慮不周，未能充分考慮到實(shí)際施工過程中形成的復(fù)合地基效應(yīng)和加固作用，從而使模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在偏差。總體上，誤差較小，說明實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果規(guī)律及數(shù)據(jù)均基本吻合。

3.2" "樁體參數(shù)對復(fù)合地基沉降及受力影響

3.2.1" "不同樁長對復(fù)合地基沉降影響

不同樁長條件下復(fù)合地基沉降量變化如圖3所示。由圖3可知，隨著樁長的增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。這是因?yàn)檩^長的樁能夠更深入地穿透軟弱土層，從而提供更有效的承載和支撐力；且樁長越長樁和周圍土體之間的摩擦力增大，增強(qiáng)了樁體的抗壓性能，減少了地基沉降。同時(shí)，樁長較長的樁能在更大深度范圍內(nèi)進(jìn)行土體改良，增強(qiáng)了地基整體剛度和穩(wěn)定性，使得復(fù)合地基系統(tǒng)在外部荷載作用下變形顯著減小。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，樁長由3m增大至8m，每增大1m，復(fù)合地基沉降的降低幅度分別為24.53%、22.76%、19.46%、12.41%、9.69%。隨著樁長的持續(xù)增大，復(fù)合地基沉降量的降低幅度逐漸減小，樁長大于5m后，這種現(xiàn)象更為明顯。

分析認(rèn)為，由于當(dāng)樁長增加到一定程度時(shí)，樁體的剛度和樁土復(fù)合體的協(xié)同工作能力已經(jīng)達(dá)到較高水平，繼續(xù)增加樁長對進(jìn)一步減小沉降的作用有限。此外，隨著樁長的增加，樁端深入到更深土層，這些土層通常比表層土更密實(shí)，壓縮性較小，因此隨著樁長增加，沉降量的降幅趨于平緩。

3.2.2" "不同樁長對樁身軸力的影響

不同樁長樁身軸力變化如圖4所示。從圖4可以看出，沿著樁體向下，樁身軸力呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢。初始加載階段，樁身頂部受到直接加載，引起局部應(yīng)力集中，使得樁身頂部軸力增大并逐漸向樁體下部傳遞；隨著深度增加，樁身中下部位置逐漸承擔(dān)更多荷載，樁底部的土體與樁身之間的摩擦力逐漸發(fā)揮作用，導(dǎo)致樁身軸力呈現(xiàn)出減小的趨勢。

隨著樁長的增大，樁身軸力逐漸增大，且樁長在3～5m內(nèi)變化時(shí)，樁身軸力的增幅較大。樁長大于5m后，樁身軸力增幅較小。隨著樁身深入土層，周圍土體對樁身的摩擦阻力和端阻力逐漸增大，導(dǎo)致樁身所承受的軸向力也隨之增加。樁長較短時(shí)，土體在樁側(cè)的抗剪強(qiáng)度限制，使得土體對樁的摩擦阻力相對較大，導(dǎo)致樁身軸力增幅顯著。隨著樁長超過5m，土體的抗剪強(qiáng)度限制相對減小，樁側(cè)土體對樁的摩擦阻力變化趨于穩(wěn)定，因此樁身軸力增幅逐漸減小。

3.2.3" "不同樁徑對復(fù)合地基沉降量影響

不同樁徑復(fù)合地基沉降量變化如圖5所示。由圖5可知，隨著樁徑的增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。這是由于較大直徑的旋噴樁能夠提供更大的承載能力和剛度，有效地分擔(dān)土體的荷載，且對土體的改良范圍更大，有效減少了地基的壓縮變形。

在0.3～0.7m樁徑每增大0.1m，復(fù)合地基沉降量的降低幅度依次為14.99%、12.3%、12.62%、10.7%，表明隨著樁徑的持續(xù)增大，復(fù)合地基沉降量降低幅度呈現(xiàn)出減小趨勢。隨著樁徑的增大，改良土體的影響范圍擴(kuò)大，但隨著樁徑增大至一定程度，改良效果的增益逐漸減弱，土體固結(jié)和沉降的改善效果也隨之減小。

3.2.4" "不同樁徑對樁身軸力的影響

不同樁徑樁身軸力變化如圖6所示，從圖6可以看出，隨著樁徑的增大，樁體不同位置的樁身軸力逐漸減小。這主要是由于較大的樁徑能夠更有效地分散和傳遞荷載，從而降低了單一位置的應(yīng)力集中。

樁徑增大表示樁的截面面積增大，使得荷載分布更加均勻，單位面積承受的應(yīng)力減小，因此各位置的樁身軸力相應(yīng)減小。且較大樁徑也增加了樁的剛度，減少了樁在承受荷載時(shí)的變形，從而有效地降低了由于變形引起的附加應(yīng)力。此外，較大樁徑的樁基礎(chǔ)與周圍土體接觸面積增大，有利于更好地分散豎向和橫向的荷載傳遞，使得樁身的整體應(yīng)力分布更加均勻。

樁徑由0.3m增大至0.7m，樁身最大軸力的降低幅度為90%，在不同樁徑下，樁身最大軸力出現(xiàn)位置基本不變，說明改變樁徑能夠顯著降低樁身軸力，且對最大軸力出現(xiàn)位置無明顯影響。樁徑為0.3m時(shí)，樁身軸力最大值為1875kPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，說明樁體不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞。

4" "結(jié)束語

本研究基于某擴(kuò)容改建工程，借助數(shù)值模擬方法對高壓旋噴樁復(fù)合地基在房建工程中的應(yīng)用開展研究，得出以下主要結(jié)論：高壓旋噴樁復(fù)合地基沉降量，隨著施加荷載的增大逐漸增大，實(shí)測沉降最大沉降值為132.54mm，模擬結(jié)果稍大于實(shí)測結(jié)果?？傮w上，實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果規(guī)律及數(shù)據(jù)均基本吻合。隨著樁長的增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小，樁身軸力不斷增大，樁長超過5m后，復(fù)合地基沉降量降低幅度和樁身軸力的增大幅度均有所減小。隨著樁徑的增大，復(fù)合地基沉降量和樁身軸力均逐漸減小，樁身最大軸力值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞，樁徑由0.3m增大至0.7m，樁身最大軸力的降低幅度為90%。

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