中交第四航务工程勘察设计院有限公司广东广州510220
摘要：通过数值模拟软件模拟水泥搅拌桩对深层软土地基的加固效果，研究了桩身强度均匀性对地基加固效果的影响，分析了同一平均合格强度下，桩身强度均匀、上强下弱、上弱下强复合地基路基的工后沉降。为水泥搅拌桩复合地基的设计和施工提供参考。
关键词：水泥搅拌桩地基加固均匀性工后沉降
水泥搅拌桩是一种广泛用于深层软基处理的复合地基处理方式。操作简便，成本低，无污染，施工快捷，技术成熟等优点使其成为为业主,设计和施工单位施工易于接受的有效加固措施。通过搅拌机沿深度方向强制对软土地基搅拌，同时掺入一定量的水泥浆等固化剂使软土固结硬化，从而达到提升地基承载力的目的。
1.水泥搅拌桩不合格原因分析
实际工程中，由于种种原因，水泥搅拌桩成桩质量往往难以达到设计要求。总结起来主要原因有如下几点:
1）试桩土样布局没有代表性，设计水泥用量偏少；
2）复搅速度过快或未复搅，芯样试块中的水泥呈团块状分布；
3）水泥喷入量低于设计值或局部水泥喷入量不正常，引起桩体内水泥含量偏少，芯样呈可塑一软塑状态;
4）施工中出现送浆、送灰管堵塞等机械故障，在未及时处理情况下继续钻进，桩体水泥掺入不连续导致断桩；
5）桩身倾斜导致承载力达不到设计要求。
工程中往往出现复合地基承载力达到设计要求，而单桩无侧限抗压强度不满足要求的情况，可能是桩体与桩体强度不一致，同一根桩桩身强度不足等造成的。部分设计人员、监理及施工单位对单桩承载力重视不足，关注复合地基承载力而忽视了桩体强度的重要性。规范要求，单桩无侧限抗压强度及复合地基承载力作为主控项目必须检测并满足设计要求。本文采用数值模拟软件，对桩身强度对复合地基加固的影响进行分析，为桩身强度的要求提供依据。
2.数值模型的建立
本文以广东某市政道路为工程背景。该工程为新建城市主干道，主要不良地质为存在较厚的软土夹层。具有天然含水量高、高压缩性、土的力学强度低、变形速率大且稳定时间长等特点，工程性质差，在上层路堤及持续的交通荷重作用下很可能因强度不足造成路基破坏，而更可能是由于淤泥固结沉降缓慢引起较大的工后沉降而造成路面结构破坏。设计处理方式为一般路段采用单向水泥搅拌桩，水泥搅拌桩直径0.50m，正方形布置，桩间距1.2m，要求90天抽芯检测无侧限抗压强度达到1.0MPa，复合地基载荷试验要求达到120KPa。
根据该工程背景，建立有限元模型如下：
1）模型尺寸
本项目道路顶宽33m，路基土填高4m，深层软土地基段采用水泥搅拌桩处理，搅拌桩正方形布置，桩间距1.2m，桩径0.5m，桩打入穿透淤泥质粘土进入持力层0.5m，总长11.5m。
2）采用的岩土参数
根据地质勘查报告结果，拟定模型各材料参数如下:路基填土重度18.5kN/m3，c=29kN,φ=30°，E=5000Pa，v=0.25，β=28.5°，k=1，ψ=28.5°。淤泥质粘土重度17.5kN/m3，c=10kN,φ=22°，E=2500Pa，v=0.35，β=35°，k=1，ψ=25°。粉质黏土重度17.5kN/m3，c=23kN,φ=33°，k=0.02Pa，v=0.31，λ=0.07，M=1.27，a0=0，β=1，K=1，e1=1.02。
3）桩体刚度转化
实际工程中桩体沿道路纵向1.2m间距布置，二维模拟为桩墙，因此需对桩体模量进行转化。本文采用等刚度转换原则，将同一断面上桩土比例按三维桩土面积比转化为二位桩墙刚度。
4）模拟工况
本模型计算自桩基础施工结束开始，计算如下工况：桩体施工完成铺设褥垫层及土工格栅；摊铺第一层路基填土；摊铺第二层路基填土；摊铺第三层路基填土；摊铺第四层路基填土；摊铺路面。
根据桩体强度，选取不同的桩体强度参数进行如上计算。
3.计算结果分析
本模型计算结果对比如下图3、图4所示。
图4路基中部沉降时程曲线
绘制三种工况下路基沉降时程曲线如图4所示，从图中可知，同一平均强度下，桩身强度均匀条件下的地基沉降最小，上强下弱和上弱下强的桩身都会造成复合地基沉降的增加。
本工程要求水泥搅拌桩复合地基承载力不小于120kpa，单桩90天无侧限抗压强度不小于1.0Mpa。由于施工操作不规范，土体拌和不均匀等原因，复合地基承载力能达到设计要求，单桩无侧限抗压强度在桩顶和桩底普遍偏低。为保证桩身强度，达到复合地基加固效果，对于桩底应保证喷浆量并控制轴头提升速度，提高搅拌转数。对于桩顶应将桩顶1m范围内作为加强段复拌复搅，同时施工桩顶应比设计桩顶高0.5m，施工完成后凿除0.5m桩顶。
4.小结
结果表明，平均强度一致时，桩体均匀性越好，路面工后沉降越小。上强下弱或下强上弱的桩体对水泥搅拌桩复合地基的工后沉降及稳定性都有较大影响。强度离散程度越大，复合地基质量越差。为保证复合地基的加固效果，桩身各部位强度均必须满足设计要求。
参考文献：
[1]王佳,曾国东.水泥搅拌桩在淤泥质黏土层的施工与质量控制[J].公路与汽运,2019(02):70-72+83.
[2]陈良志,邹鹏旭,彭志豪.半刚性水泥搅拌桩软基加固三维数值模拟[J].水运工程,2019(01):156-162.
[3]李占强.夯实水泥土桩复合地基的试验研究及其数值模拟[D].中国地质大学（北京）,2005.
[4]公路软土地基路堤设计与施工技术细则JTGD31-02-2013.人民交通出版社.
[5]城市道路路基设计规范CJJ194-2013.中国建筑工业出版社.
[6]张土乔.水泥土的应力应变关系及搅拌桩破坏特性研究[D].浙江:浙江大学,1992.