宁波市轨道交通集团有限公司建设分公司 浙江宁波 315010
摘要：本文对宁波轨道交通车辆段咽喉区碎石道床区域的钉形水泥土双向搅拌桩复合地基方案重点进行研究，通过有限元分析软件对复合地基的沉降变形进行了分析研究，将计算分析结果与实测的沉降值进行对比分析，预测变形曲线与实测变形比较接近，研究表明，有限元分析计算复合地基的沉降计算是可行的，在宁波软土地区，对工后沉降控制要求不是很高的车辆段咽喉区碎石道床区采用钉形水泥土双向搅拌桩进行软基加固是可行的。
关键词：复合地基；钉型搅拌桩；有限元；沉降分析
The research of sedimentation of Nail-Shaped Mixing Pile Composite Foundation Based on Finite Element Analysis
Bao Xiaohong
（Construction Branch，Ningbo Rail Transit Group Co Ltd，Ningbo Zhejiang 315000，China）
【Abstract】This paper focuses on the composite foundation scheme of T-shaped mixing column in the gravel bed area of the throat section of the Ningbo rail transit depot..The finite element analysis software is used to analyze the settlement deformation of the composite foundation，and the calculation results and measurement are calculated.The settlement value is compared and analyzed.The predicted deformation curve is close to the measured deformation.The research shows that the finite element analysis is feasible to calculate the settlement of the composite foundation.In the soft soil area of Ningbo，the control section for the post-construction settlement control is not very high.It is feasible to use T-shaped mixing column for soft foundation reinforcement in the gravel road bed area of the throat area.
【Key words】composite foundation；T-shaped mixing column；finite element；settlement analysis
0 前言
水泥土双向搅拌桩—钉形水泥土双向搅拌桩是由东南大学刘松玉[1]教授研制，采用同心双轴钻杆，旋转方向相反，形成两种不同的半径。钉形桩桩体上部截面大，下部截面小，形成钉子形状的水泥土搅拌桩。钉形水泥土双向搅拌桩[2]具有搅拌均匀，桩土协同作用好成桩质量好、有效处理深度深、节约造价等优点。陈星光[3]以广州番禹快速干线为例研究了钉形水泥土双向搅拌桩受力特性；乔慧园[4]以环渤海地区工程为研究对象，研究了铁路软土地区路基采用钉形桩复合地基的沉降计算方法及施工质量控制技术。姚成[5]对钉形水泥搅拌桩加固软土复合地基的受力特性及沉降特点进行了分析研究，研究结果表明钉形水泥土搅拌桩的加固效果优于同等条件的普通水泥搅拌桩。目前，关于复合地基的研究主要集中在地基性质、地基处理、地基沉降等方面，关于地基处理理论沉降计算值与实测值对比分析研究较少，特别是钉型水泥土搅拌桩作为一种新型的软基处理方案，在东部沿海地区的软基加固中应用比较多，但复合地基的沉降计算方法基本采用的是传统规范的计算方法，加固后的复合地基的沉降计算一般分为加固区及下卧层分别计算，总沉降量为两者之和[5]，没有考虑桩土的共同作用。本文基于有限元考虑桩土共同作用对钉型水泥土搅拌桩复合地基的沉降进行分析研究，并与实测沉降数据进行对比分析，计算值与实测值非常接近，研究表明，采用有限元分析计算钉型水泥土搅拌桩复合地基沉降计算是可信的，可为类此工程项目提供借鉴。
1工程概况
宁波市轨道交通1号线天童庄车辆基地段址位于宁波市东外环路蔡江岸地区，占地约40公顷。车辆段承担1号线部分列车的乘务、停放、列车技术检查、洗刷清扫和定期消毒等日常维护保养及运用任务；承担1号线部分列车的双周/三月检任务；承担1号线全部列车的定修、架修、大修及临修任务等任务。根据勘探资料，拟建场地区域地势平坦。场地表部除鱼塘外，一般均分布有厚度0.5～2.0m的硬壳层或人工填土；场地中上部主要以海相淤泥质软土或软土为主，厚度16～36m。该区域淤泥质土层较厚，天然地基无法满足工程需要，需对软基进行处理。车辆段咽喉区域为碎石道床，工后沉降要求不大于200mm，软基处理面积大，约7万平方米，本文重点对该区域采用钉形水泥土双向搅拌桩软基处理沉降进行研究。
2 钉形水泥土双向搅拌桩复合地基方案
2.1列车及轨道荷载
本工程采用B2型车，车辆轴重为140kN，轨重50kg/m（车场线）、轨重60kg/m（试车线），车辆段场地平均路基填土高度约2m，轨道及列车荷载换算土柱高度及分布宽度3.4×1.4m，路基上附加荷载共计3.4m土柱高。
2.2钉形水泥土双向搅拌桩复合地基设计方案
本工程咽喉区碎石道床区采用钉形水泥土双向搅拌桩复合地基加固，工后沉降不大于200mm，见图2。
设计技术要求：
（1）水泥土搅拌桩采用钉形水泥土双向搅拌桩，正三角形布置，桩径1000/500mm（即扩大头直径1000mm，下部桩径500mm），桩间1.8m，扩大头高度6.0m。
（2）水泥采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，设计初定的掺灰量不小于被加固湿土质量的15%，水泥浆水灰比为0.5～0.6。
（3）双向搅拌桩机械参数：下沉速度0.5～0.8m/min；提升速度0.7～1.0m/min；内钻杆转速≥50r/min；外钻杆转速≥70r/min；下沉时喷浆压力0.25~0.40MPa。
（4）双向搅拌桩机械叶片宽度80～100mm；叶片厚度25～40mm；叶片倾角10～20度。
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图1
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图2
3 有限元模拟计算工后沉降
3.1 主要假定
由于数值模拟的局限性，本文模型在模拟计算过程中主要做了以下几点假定：
1.实际工程中，土层界面为不规则、有坡度的曲面，但由于实际土层变化较复杂，Midas GTS对于精度也有一定的要求，因此在模型模拟中假定土体为均质、连续、各项同性，且水平成层分布；
2.模型土体采用莫尔-库伦屈服准则，钉形水泥土双向搅拌桩采用弹性模型进行模拟；
3.钉形水泥土双向搅拌桩和周围土体均采用三维实体进行模拟，其中桩土连接采用平面接触单元进行模拟。
3.2土体参数
本文GTS数值模拟中采用的土体本构为莫尔库伦，根据地质勘查报告以及软件使用手册，模型土体的岩土参数详见表1。其中土体弹性模量按照经验取5倍土体压缩模量。
表1 土体物理力学参数
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3.3 钉形水泥土双向搅拌桩参数
钉形水泥土双向搅拌桩为正三角形布置，桩径1000/500mm（即扩大头直径1000mm，下部桩径500mm），桩长18m，桩间1.8m，扩大头高度6.0m。根据搅拌桩所用材料，参考相关规范，桩结构的物理力学参数详见表2。
表2 结构物理力学参数
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3.4 三维有限元数值模型
本工程采用钉形水泥土双向搅拌桩加固范围较大，桩间距布置较密，由于MIDAS GTS软件及相关硬件的限制，难以将全部加固范围进行模拟呈现，因此取其中断面RDK1+240处钉形桩的布置情况，取5m宽度进行有限元模拟分析。在用Midas GTS NX进行计算模拟的过程中，为能够更真实地模拟实际问题，采用三维模型，同时按照相关的边界条件来处理建模过程中的边界问题，见图4、图5。
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图4 模型三维网格图
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图5 钉形桩结构图
3.5荷载及边界
本工程主要荷载为工后填土及上部车辆荷载，填土范围按照2m进行模拟，车辆荷载按28Kpa超载进行考虑，见图6。
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图6荷载图
本模型边界条件均为位移边界条件：地表为自由边界条件；模型左右前后四个侧面边界的侧向水平位移限制为零，竖向自由；模型底部边界的竖向位移限制为零，水平位移自由。
除此之外，对于模型中涉及到的桩结构，考虑到实际工程中桩土间的摩擦作用，采用平面接触单元模拟桩土之间的关系，接触单元见图7。
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图7桩土接触单元
3.6 计算结果
本文模拟了桩施工完成、回填土并加车辆荷载两种情况下复合地基的沉降变形，沉降云图见图8，图9。
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图8桩后沉降云图
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图9桩后沉降云图
由图8及图9可知，钉形水泥土搅拌桩加固地基总沉降为866.58mm，工后沉降为866.58-733.62=132.96mm<200mm，满足设计要求。
4 沉降观测实测数据及分析
在施工完成后进行了工后沉降的观测，选取钉形水泥土搅拌桩区域的25个观测点进行了7次沉降观测，每隔一个月观测一次，选择其中比较有代表性的五个测点，沉降随时间的变化曲线见图10。
通过分析7个月的工后沉降测量结果，发现沉降增速比较大为前3个月，前三个月累计沉降最大为-14.9mm，7个月测得的最大沉降量为-19.5mm。根据实测拟合沉降曲线的公式预测，工后12个月沉降预测值为21.75mm。结合工程经验及其它类似工程长期沉降观测，高速公路海相土搅拌桩加固复合地基工后12个月沉降占工后总沉降的20%~30%左右[6]，本工程按照工后12个月沉降占工后总沉降的20%来预测，预测工后总沉降约21.75/20%=108.75mm<200mm，满足设计要求，与有限元计算的工后总沉降132.96mm比较接近。说明该有限元法计算较为合理，可为以后设计施工计算作为参考。
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图10 沉降实测数据拟合图
参考文献：
[1]陈晋中，刘松玉，钉形水泥土双向搅拌桩施工技术[J]建筑科学，2011，11（11）：36-39.
[2]陈晋中，刘凤翰，刘松玉，《双向水泥土搅拌桩技术及常见施工问题处理》[J].建筑技术，2011，28（9）
[3]陈星光，深厚软土中钉形水泥土双向搅拌桩受力特性研究[D].中南大学，2012，05.
[4]姚成，钉形水泥搅拌桩加固软土复合地基研究[D]，江苏科技大学， 2013，3.
[5]乔慧园，钉形水泥土双向搅拌桩在铁路路基工程中应用研究[D]石家庄铁道大学，2014，1
[6]龚晓南，《地基处理手册》 第三版[M].中国建筑工业出版社，2008.
[7]钱国超，高速公路海相软土水泥土搅拌桩加固技术[M].人民交通出版社，2008.