濱海地區(qū)道路軟土地基加固效果研究

□文/李曉鵬

濱海地區(qū)道路軟土地基加固效果研究

□文/李曉鵬

濱海地區(qū)軟土分布非常廣泛，軟土天然含水率高、孔隙比大，在軟土上修建的道路工程，若地基處理不當，往往出現(xiàn)過大的沉降，引起道路病害。水泥攪拌樁復(fù)合地基法由于工期短，處理效果好，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合天津濱海地區(qū)某道路工程，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對水泥攪拌樁處理軟土地基進行研究，分析了水泥攪拌樁樁長、樁徑及樁間距離對軟土地基加固效果的影響。研究表明，水泥攪拌樁復(fù)合地基法處理濱海軟土地基具有良好的效果，較為適用于天津濱海地區(qū)的軟基處理。

濱海地區(qū)；道路工程；軟土地基；水泥攪拌樁

天津地處華北平原的北部，東臨渤海，區(qū)域地勢平坦，分布有大量淤泥或淤泥質(zhì)土等軟土。在天然地基上直接修建市政道路工程，往往會遇到路基沉降不滿足變形設(shè)計要求的問題，需要對地基進行加固處理。濱海地區(qū)軟土地基常用的處理方法有深層攪拌法、強夯固結(jié)法、排水固結(jié)法（真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法）等。結(jié)合天津當?shù)剀浲恋鼗庸探?jīng)驗，水泥攪拌樁法應(yīng)用較為廣泛。

水泥攪拌樁法處理后的地基屬于柔性樁復(fù)合地基，主要是利用深層攪拌機械，在地基深處將原位土與水泥等固化劑材料進行攪拌，形成抗壓強度比天然土強度高得多的水泥加固土體，與原位土共同承擔上部結(jié)構(gòu)荷載。

本文采用MARC有限元分析軟件，建立有限元數(shù)值模型，模擬水泥攪拌樁樁長、樁徑及樁間距離變化情況下路基沉降的變化規(guī)律，分析對軟土地基加固效果的影響。

1 有限元模型建立

1.1 工程地質(zhì)條件

1）①人工填土層。人工堆積，根據(jù)填土所包含的成分，本層又可以分為以下2個亞層：

（1）①1雜填土，層厚約0.40～2.70 m，層底標高為0.24～2.62 m，主要在道路沿線表層，雜色，含生活垃圾、石子、磚塊、碎石等；

（2）①2素填土，層厚約0.40～4.50 m，層底標高為3.29～-8.73 m，主要分布在耕地、魚塘之間，褐色～灰黃色，以粘性土為主，可塑狀態(tài)，局部硬塑狀態(tài)，含鐵質(zhì)、植物根系等。

2）②灰黑色淤泥層。層厚約0.50～3.40 m，層底標高-1.94～1.76 m，主要分布在現(xiàn)有河、浜塘處，含腐植質(zhì)、雜物，味臭，工程地質(zhì)差。

3）④灰黃色粘土，第I陸相層。為河床～河漫灘相沉積，層厚約為0.50～3.20 m，層底標高約為-2.50～1.76 m，呈可塑狀態(tài)，含氧化鐵，局部為粉質(zhì)粘土。

4）⑥第I海相層。為淺海相沉積。根據(jù)土的不同物理性質(zhì)，本層又可以分為6個亞層：

（1）⑥1灰色淤泥質(zhì)粘土，層厚約為1.10～7.20 m，層底標高約為-8.00～-0.99 m，含云母、有機質(zhì)、貝殼碎屑，局部為粉質(zhì)粘土，流塑狀態(tài)，高壓縮性；

（2）⑥11灰色粉質(zhì)粘土夾粉土，層厚約為0.52～3.50 m，層底標高約為-7.14～-2.29 m，含云母、夾粉土較多，呈透鏡體狀，軟塑狀態(tài)，中等壓縮；

（3）⑥2灰色粉質(zhì)粘土，層厚約為0.80～8.20 m，層底標高約為-12.10～-4.95 m，含云母、有機質(zhì)局部為粘土，呈流塑～軟塑，中～高壓縮性；

（4）⑥21灰色粉土，層厚約為0.50～1.60 m，層底標高約為-9.66～-5.85 m，含云母，呈透鏡體狀，呈稍密狀，分布不連續(xù)；

（5）⑥3灰色粉質(zhì)粘土，層厚約為0.90～4.30 m，層底標高約為-13.26～-8.52 m，含有機質(zhì)、夾少量粉粉土，呈軟塑狀，中～高壓縮性；

（6）⑥4灰色粉土，層厚約為0.60～5.20 m，層底標高約為-15.34～-9.18 m，含云母、夾少量粘性土，呈稍密狀。

5）⑦灰白～灰褐色粉質(zhì)粘土，第II陸相層。為沼澤相沉積，層厚約為0.40～4.30m，層底標高約為-15.89～-9.49 m，主要揭示為粉質(zhì)粘土，局部夾少量粉土，灰白色～灰褐色，含腐植質(zhì)，頂部夾灰黑色泥炭薄層，呈可塑狀，中等壓縮。

6）⑧第II陸相層。為河床～河漫灘相沉積，根據(jù)土的不同物理性質(zhì)，本層又可以分為以下3個亞層：

（1）⑧1灰黃～褐黃色粉質(zhì)粘土，厚度約為0.44～5.60 m，層底標高為-18.92～-13.06 m，含氧化鐵、夾少量粉土，呈可塑狀，中等壓縮；

（2）⑧21黃褐～褐黃色粉土，厚度約為2.00～9.20 m，層底標高為-25.66～-14.53 m，含氧化鐵、夾少量粘性土，局部為粉砂，呈中密～密實，中等壓縮；

（3）⑧22褐黃色粉質(zhì)粘土夾粉土，厚度約為3.30～10.00 m，層底標高為-25.66～-17.43 m，含鐵錳結(jié)核、夾粉土較多，呈可塑狀，中等壓縮。

1.2 幾何模型

基于路基的對稱性，為簡化計算，只建立路基右半幅的模型。路基頂面寬15 m，填土高度4 m，路基邊坡按1∶1.5放坡，路堤坡腳至模型右邊緣的距離為20 m，模型全寬41 m，沿道路縱向取10 m進行研究。根據(jù)地質(zhì)資料并考慮模型計算簡便，對地基土層進行簡化處理，共分為3層：4 m素填土，10 m淤泥質(zhì)粘土，10 m粉質(zhì)粘土。以樁長14 m，樁徑0.6 m，樁間距2 m為例，其幾何模型見圖1。

圖1 幾何模型

1.3 本構(gòu)模型與邊界條件

MARC軟件中提供的屈服準則有Von.Mises屈服準則、Mohr-Coulomb屈服準則等，巖土體在變形過程中，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系呈非線性，為跟蹤加載歷史求位移、應(yīng)變和應(yīng)力的全量，采用Mohr-Coulomb屈服準則，本構(gòu)關(guān)系采用增量形式來描述。

計算模型近似為半空間無限體，對于計算模型邊界條件，將模型下部底面及豎直側(cè)面X、Y、Z方向位移固定。

1.4 有限元建模

單元劃分采用六面體八結(jié)點實體單元，把實體離散成有限元單元時，考慮研究的需要，盡可能加密水泥攪拌樁及樁周土體單元，由近到遠，由密到疏過渡，這樣既可確保計算精度又節(jié)省運算時間。道路軟土地基加固有限元分析模型見圖2。

圖2 有限元模型

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算參數(shù)

道路路基填土重度為17.5 kN/m3，水泥攪拌樁及土體參數(shù)見表1。

表1 有限元分析模型材料參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)MARC有限元軟件計算，提取路基中心線處的路基沉降，其不同樁長、樁徑及樁距情況下的分析結(jié)果。

1）樁長變化分析。、計算模型樁徑0.6 m，樁間距離2 m時，分析水泥攪拌樁布置形式為梅花形和正方形兩種情況下，樁長變化對路基沉降的影響，見圖3。

圖3 不同樁長時路基沉降

2）樁徑變化分析。計算模型樁長14 m，樁間距離2 m時，分析水泥攪拌樁布置形式為梅花形和正方形兩種情況下，樁徑變化對路基沉降的影響，見圖4。

圖4 不同樁徑時路基沉降

3）樁距變化分析。計算模型樁長14 m，樁徑0.6 m時，分析水泥攪拌樁布置形式為梅花形和正方形兩種情況下，樁間距離變化對路基沉降的影響，見圖5。

圖5 不同樁距時路基沉降

由圖3-圖5可以看出，樁徑0.6 m，樁間距離2 m時，隨著樁長的增加，路基的沉降值變小，以梅花形布置為例，樁長10 m時，路基中心線處的沉降值為11.5 cm，樁長為16 m時，沉降值為10.8 cm，沉降減小了6%；樁長14 m，樁間距離2 m時，隨著樁徑的增加，路基的沉降值變小，以梅花形布置為例，樁徑0.6 m時，路基中心線處的沉降值為10.9 cm，樁徑1.2 m時，沉降值為7.3 cm，沉降減小了33%；樁長14 m，樁徑0.6 m時，隨著樁距的增加，路基的沉降值變大，以梅花形布置為例，樁距1.4 m時，路基中心線處的沉降值為9.1 cm，樁距2 m時，沉降值為10.9 cm，沉降增加了20%；在其他條件相同的情況下，水泥攪拌樁采用梅花形布置相較于正方形布置，對軟土地基的加固效果更好，路基沉降值可以減少2%～5%。

3 結(jié)論

1）通過增加水泥攪拌樁樁長、樁徑以及減小樁間的距離都可以提高軟土地基的加固效果，但從分析數(shù)據(jù)可以看出，改變樁徑和樁間距離對加固效果的影響較大，表明在一定條件下，適當增加攪拌樁樁徑或減小樁間距離是較為經(jīng)濟有效的辦法。

2）在其他條件相同的情況下，水泥攪拌樁宜采用梅花形布置，相較于正方形布置，路基中心線處的沉降值可以減少2%～5%。

3）水泥攪拌樁復(fù)合地基法處理濱海地區(qū)軟土地基具有良好的加固效果，較為適用于天津濱海地區(qū)的軟基處理。

[1]趙 亮，王昌賢，王俊杰.高速公路軟土地基加固效果數(shù)值模擬[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，33（1）：60-63.

[2]李 然，劉 潤，徐 余，等.水泥攪拌樁法處理軟土地基中橋頭跳車現(xiàn)象的影響因素分析[J].巖土工程學(xué)報，2013，35（S2）：725-729.

[3]陳建峰，葉鐵鋒，俞松波，等.軟土地基加筋石灰土路堤離心模型試驗數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（9）：1939-1944.

[4]劉松玉，易耀林，朱志鐸.雙向攪拌樁加固高速公路軟土地基現(xiàn)場對比試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（11）：2272-2279.

[5]燕柳斌，胡李華，蘇國韶.軟土地基松木樁擠土效應(yīng)模擬的有限差分方法[J].廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，39（4）：794-801.

U416.1

C

1008-3197（2015）06-68-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.024

2015-10-27

李曉鵬/男，1987年出生，助理工程師，碩士，上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院天津分院，從事道路設(shè)計工作。