高速公路軟土地基加固效果數(shù)值模擬

趙 亮，王昌賢，王俊杰

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610061；2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

場區(qū)為杭瑞高速公路貴州遵義—畢節(jié)(K 1715 + 080 ～ K 1715 + 180)段軟土地基。貴州省山區(qū)高速公路建設(shè)中面臨較為復(fù)雜軟土地基的情況，以及潮濕、多雨的氣候條件，軟土地基處理技術(shù)難度大。對于貴州山區(qū)較深大的軟土路基，以往常采用碎石樁進(jìn)行處理。碎石樁是由碎石為主要材料加工制成的散體樁，主要靠樁周土的側(cè)向約束形成樁身強度，受樁體側(cè)向約束條件限制影響大，滿足要求較難，但造價低。而CFG樁是在碎石樁承載特性不足的基礎(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)發(fā)展而來的。CFG樁可全樁發(fā)揮樁的側(cè)摩阻力，且樁端落在好的土層上，通過發(fā)揮端阻力的作用，使復(fù)合地基的承載力大大增加，滿足復(fù)合地基處理要求較易，但造價高。筆者模擬利用碎石樁與CFG樁組合處理高速公路軟土地基，并與僅碎石樁和僅CFG樁加固處理的地基作對比，采用PLAXIS軟件[1]進(jìn)行有限元分析，研究這三種處理方法的加固效果及經(jīng)濟(jì)性。

1 有限元模型

碎石樁是指采用振動、沖擊或水沖等方法在軟弱地基中成孔后，將碎石擠入土中形成大直徑的由碎石所構(gòu)成的密實樁體，與土體形成復(fù)合地基[2-3]。

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏結(jié)強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基[4]。

碎石樁與CFG樁組合加固地基是由基體(天然地基土體)和兩種增強體三部分組成，將碎石樁和CFG樁各自的優(yōu)勢進(jìn)行互補形成復(fù)合地基[5-7]。

1.1 工程地質(zhì)條件

據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭露，該段地基巖土構(gòu)成自上而下分述如下。

粉質(zhì)黏土：黃色、灰黃色，可塑狀，頂部為耕土，含少量質(zhì)物根系，路段內(nèi)均有分布，為頂部硬殼層，鉆探揭露厚度為2.0～4.5 m。

淤泥質(zhì)土：灰色、灰綠色及灰黑色，流塑狀～軟塑狀，含10%～20%碎石，碎石粒徑約1～10 mm，成分主要為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，路段內(nèi)均有分布，鉆探揭露厚度為3～12 m。

碎石土：灰色、灰黑色，碎石成分為泥質(zhì)粉砂巖鈣質(zhì)泥巖，碎石粒徑40～80 mm，含量52%結(jié)構(gòu)松散狀。濕至飽和含水，路段內(nèi)均有分布，鉆探揭露厚度為2.0～9.0 m。

本地段內(nèi)分布有淤泥質(zhì)黏土等軟土，軟土具有含水量高﹑孔隙比大和透水性低等特點，最深處達(dá)14 m，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，必須進(jìn)行軟基處理。

1.2 幾何模型

為便于建模，路基用平面應(yīng)變模型分析。杭瑞高速公路貴州境內(nèi)遵義至畢節(jié)(K 1 715+080～K 1 715+180)段斷面K 1 715+090為典型斷面，其土層厚度比較接近各土層平均厚度，路堤斷面亦具有代表性，依據(jù)其為典型斷面建立模型。模型各項尺寸：模型全寬80 m；碎石土層厚度8 m；淤泥質(zhì)土層厚度9 m；粉質(zhì)黏土層厚度2.5 m；褥墊層厚度0.5 m；路堤填土高度5 m；路堤坡腳至邊界長22 m；路堤底面寬度36 m；路堤頂面寬度20 m，邊坡坡率1∶1.5；樁徑0.5 m；樁長12 m；樁間距2 m。幾何模型如圖1。

圖1 地基斷面幾何模型示意(單位：m)Fig.1 Diagram of foundation section geometric model

1.3 基本假定

基本假定[8]：①由于路基的對稱性，此模型只考慮路基的右半幅；②土的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則；③樁采用PLAXIS中板單元模擬；④土工格柵采用PLAXIS中Geogrids單元模擬；⑤兩側(cè)邊界條件為水平約束，模型底部邊界條件為水平和豎向約束。

1.4 有限元建模

三種加固地基方式，只是樁的材料作為變量，故都采用同一模型進(jìn)行有限元分析。碎石樁加固地基模型中的樁全為碎石樁，CFG樁加固地基中的樁全為CFG樁，碎石樁與CFG樁組合加固地基中的樁為兩種樁交替布置，其模型如圖2。

圖2 加固地基模型示意(單位：m)Fig.2 Model of reinforce foundation

三種加固方式模型網(wǎng)格劃分如圖3。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分示意Fig.3 Diagram of finite element model divided mesh

模型中土工格柵軸向剛度取900 kN/m，其他單元的參數(shù)如表1、表2。

表1 各土層參數(shù) Table 1 Parameters of soil

表2 CFG樁與碎石樁參數(shù) Table 2 Parameters of CFG pile and gravel pile

2 計算結(jié)果分析

2.1 路堤位移變化分析

根據(jù)PLAXIS有限元模擬的計算，得到的碎石樁、CFG樁、碎石樁與CFG樁組合加固地基的位移數(shù)據(jù)，繪制成曲線如圖4。

圖4 不同加固形式下路堤底水平位移Fig.4 Displacement at the bottom of embankment in the form of different reinforcement

由圖4(a)可以看出，CFG樁加固地基樁間土的豎向位移最小，碎石樁與CFG樁組合加固地基樁間土豎向位移比CFG樁加固地基稍大，碎石樁加固地基樁間土豎向位移遠(yuǎn)大于CFG樁加固地基和組合樁加固地基的豎向位移。說明CFG樁加固地基的樁間土承載能力有了很大提高；組合樁加固地基亦有較大提高，與CFG樁加固地基相差不大；碎石樁加固地基承載能力提高最小。組合樁處理地基中碎石樁處較CFG樁處理地基同一位置樁豎向位移大，而CFG樁同一位置處豎向位移差別不大。表明CFG樁的承載能力比碎石樁大，抵抗變形的能力更大。

由圖4(b)可以看出，路堤距離中心線越遠(yuǎn)，水平位移成增大的趨勢；碎石樁加固地基的水平位移最大，且遠(yuǎn)大于CFG樁加固地基和碎石樁聯(lián)合CFG樁加固地基；組合樁加固地基與CFG樁加固地基相近。說明在土工格柵的輔助下，碎石樁加固地基對路堤水平位移的限制作用最小，組合樁加固地基與CFG樁加固地基都能較好的限制路堤的水平位移。

2.2 樁間土應(yīng)力分析

根據(jù)模擬計算的數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制出不同加固形式下樁間土中部在樁埋深內(nèi)的樁間土壓力(圖5)，及兩樁間土體表層單元應(yīng)力分布(圖6)。

圖5 樁埋深內(nèi)樁間土壓力Fig.5 Pressure between pile and soil in pile buried depth

圖6 樁間土表層單元有效應(yīng)力Fig.6 Effective stress of surface unit between pile soil

由圖5可見：路堤下樁間土壓力隨著深度的增加而增大；碎石樁加固地基樁間土壓力最大，組合樁加固地基與CFG樁加固地基土壓力很接近，CFG樁加固地土壓力稍?。贿@是由于碎石樁加固地基的碎石樁承受的路堤荷載能力較小，樁間土要承擔(dān)較多的荷載；CFG樁加固地基與組合樁加固地基的樁的剛度較大，出現(xiàn)類似“應(yīng)力集中”效應(yīng)，樁承受了較大的荷載，故樁間土承受荷載減少。

由圖6可見：采用碎石樁加固地基時，樁間土表層單元的應(yīng)力變化不明顯，這是由于碎石樁加固地基變形大，加固效果不明顯；組合樁加固地基與CFG樁加固地基的有效應(yīng)力變化趨勢十分相似，樁間土表層單元應(yīng)力變化明顯?？偟膩砜矗鄻哆h(yuǎn)處有效應(yīng)力小，這是由于樁承載了較大荷載，降低了復(fù)合地基對周圍土體承載力的需求；組合樁加固地基樁間土應(yīng)力較僅CFG樁加固地基大，說明組合樁加固地基樁間土發(fā)揮的承載能力較僅CFG樁加固地基好，組合樁加固地基對樁間土的強化效果比CFG樁加固地基好。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

由于影響經(jīng)濟(jì)性的因素比較復(fù)雜，且三種加固方式模型相同，樁的布置相同，只是樁的材料不同，路基具有對稱性，對本斷面的樁造價分析就達(dá)到一定的效果。故僅從樁的造價進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

3.1 樁身原材料與配合比

1)碎石樁。5～40 mm連續(xù)級配碎石，雜質(zhì)含量不大于5%。

2)CFG樁。粗集料選用粒徑為20～40 mm的連續(xù)級配碎石，雜質(zhì)含量不大于5%；細(xì)集料選用粒徑為2.5～10 mm的連續(xù)級配碎石，雜質(zhì)含量不大于5%；水泥選用強度等級為42.5的水泥；粉煤灰選用燃煤電廠濕排粉煤灰，燒失量不大于25%。

3)配合比。(水泥+粉煤灰)∶ 細(xì)集料 ∶ 粗集料 ∶

水=(0.7+0.3) ∶ 3.09 ∶ 3.75 ∶ 0.60，W/C=0.6。

4)CFG樁配合比設(shè)計材料用量。水：170 kg/m3；(水泥 + 粉煤灰)：(198 + 85)kg/m3；細(xì)集料：875 kg/m3；粗集料：1 062 kg/m3。

5)坍落度：30～50 mm。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

CFG樁樁長為12 m，其材料單價為：水泥492元/t，粉煤灰70元/t，粗集料85元/t，細(xì)集料65元/t，水0.9元/t。碎石樁材料單價為：級配碎石75元/t。三種不同處理方法的造價對比見表3。

表3 三種加固方法的造價對比

Table 3 Contrast of cost of three reinforcement ways

由表3可以看出，僅碎石樁加固地基樁造價最低，僅CFG樁加固地基樁造價最高，碎石樁與CFG樁組合加固地基造價介于兩者之間。說明碎石樁在樁的經(jīng)濟(jì)性上有較大優(yōu)勢，與CFG樁聯(lián)合加固地基可以合理的應(yīng)用這一優(yōu)勢，降低地基處理造價。

4 結(jié) 論

1)同一模型下，碎石樁的豎向位移和水平位移都很大，不滿足復(fù)合地基沉降的要求；需要對加固處理技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但達(dá)到要求較難。組合樁加固地基與CFG樁加固地基的豎向位移和水平位移都很小，較好的滿足了復(fù)合地基沉降的要求。

2)碎石樁與CFG樁組合加固地基很好的借助CFG樁承載能力達(dá)到降低樁間土分擔(dān)的荷載，并較好地提高了加固地基的承載力。

3)碎石樁加固地基加固效果較差，組合樁加固地基達(dá)到的加固效果與CFG樁加固地基效果比較接近。組合樁中碎石樁的造價較CFG樁低，合理利用碎石樁有利于降低造價，使其相對于CFG樁加固地基有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。故本軟基工程建議采用碎石樁與CFG樁組合加固地基處理。

[1] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南[M].北京:人民交通出版社,2010.Beijing Civil King Software Technology Co.Ltd..User Guide of Geotechnical Engineering Software PLAXIS [M].Beijing: China Communications Press,2010.

[2] 劉利群.碎石與CFG組合樁在高速公路軟基處理中的應(yīng)用研究[D].長沙:湖南大學(xué),2006.Liu Liqun.The Application of Research of Gravel and CFG Pile in Expressway Soft Soil Foundation Treatment [D].Changsha: Hunan University,2006.

[3] 龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.Gong Xiaonan.Composite Foundation Theory and Engineering Application [M].Beijing:China Building Industry Press,2002.

[4] 閆明禮,張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實踐 [M].2版.北京:中國水利水電出版社,2006.Yan Mingli,Zhang Donggang.CFG Pile Composite Foundation Technology and Engineering Practice [M].2nded.Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press,2006.

[5] 劉曉紅,張永波.CFG樁與碎石樁組合樁復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2004,30(16):76-77.Liu Xiaohong,Zhang Yongbo.Application of composite foundation of CFG and gravel composite pile in the engineering [J].Shanxi Architecture,2004,30(16):76-77.

[6] 田志勇,史智飛,王文杰.擠密碎石樁與CFG樁復(fù)合地基技術(shù)的應(yīng)用[J].市政技術(shù),2003,21(3):156-162.Tian Zhiyong,Shi Zhifei,Wang Wenjie.Application of composite foundation technology of Compacting gravel pile and CFG pile[J].Municipal Administration Technology,2003,21(3):156-162.

[7] 趙明.組合樁在高速公路軟基處理中的應(yīng)用探討[J].黑龍江交通科技,2011(2):15-16.Zhao Ming.Application to discuss composite pile in soft foundation treatment of highway [J].Journal of Transportation Research and Development of Heilongjiang,2011(2):15-16.

[8] 楊瑞,閆澍旺,崔激.碎石樁與土工格柵聯(lián)合加固高原濕地軟路基機(jī)理研究[J].公路交通科技,2006(6):36-39.Yang Rui,Yan Shuwang,Cui Ji.Study on mechanism of gravel pile and geogrid joint reinforcement soft subgrade of plateau wetland[J].Journal of Highway Transportation Research and Development,2006 (6):36-39.