基于Plaxis的水泥砂漿樁軟基處理優(yōu)化研究

盧 業(yè) 旭

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

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基于Plaxis的水泥砂漿樁軟基處理優(yōu)化研究

盧 業(yè) 旭

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

以天津濱海地區(qū)某道路工程為研究對象，建立有限元模型，研究不同樁間距、樁長情況下軟土路基的沉降規(guī)律及變形機制，得出水泥砂漿樁選取樁間距、樁長等參數(shù)的一般化方法，對指導工程設(shè)計有一定意義。

水泥砂漿樁，數(shù)值模擬，路基沉降

0 引言

在軟土地基上修建高填方路堤，路基的沉降經(jīng)常會引起公路病害問題。復合地基是較為常見的地基處理方式，不僅能夠較好利用增強體和天然地基兩者共同承擔荷載，而且較為經(jīng)濟合理。

本文以天津濱海某市政道路工程為實例依托，對水泥砂漿樁處治效果進行評價驗證，建立了水泥砂漿樁有限元模型。并基于Plaxis有限元軟件對不同樁間距、樁長下的軟土路基沉降情況進行了模擬分析，提出一個適用于天津地區(qū)的合理水泥砂漿樁處理模型，以期為類似軟基項目提供理論參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程所處地區(qū)為濱海沖海積平原，地形平坦，地勢開闊，現(xiàn)狀用地為大面積的魚塘、蝦池，地層土含水量較高，下臥淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

為解決地基穩(wěn)定性、工后沉降以及地基承載力問題，該道路工程中采用了水泥砂漿樁復合地基處理方式。同時為了深入研究和驗證水泥砂漿樁的地基處理效果，結(jié)合本項目設(shè)計和施工，開展研究。

1.2 特征斷面概況

以樁號K1+955～K1+975段路基作為研究段，地層分布由上往下分別為：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉土夾粉質(zhì)粘土。砂漿樁施工時清除路堤基底以下的人工填土層，包括腐土、淤泥、草皮、樹根、垃圾等；清表并鏟平后進行砂漿樁施工，砂漿樁樁體直徑0.5 m，樁間距1.1 m，設(shè)計樁長為13 m。

2 數(shù)值模型分析

2.1 模型建立

本文運用有限元軟件Plaxis對特征工程斷面進行建模。模型采用軸對稱模式，考慮到填土施工影響范圍，模型單側(cè)影響寬度取60 m，路堤下地基土深度取至50 m。模型采用15節(jié)點三角形單元剖分，模型假定路基土體應力—應變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，土體的破壞服從摩爾—庫侖準則。模型位移邊界為固定約束，左右側(cè)邊界為水平向約束，底邊界為豎向約束。滲流邊界左右兩側(cè)為約束邊界，下部由于粉土層透水性較好，設(shè)為自由邊界。

模擬施工順序為砂漿樁打設(shè)，鋪設(shè)砂墊層、填筑填土、超載預壓、結(jié)構(gòu)層施工、施加行車荷載直至土體固結(jié)完成。其中填筑填土的每一層均作為模擬的一個過程步。模型網(wǎng)格劃分后如圖1所示。

本剖面設(shè)計的砂漿樁貫穿淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其土層參數(shù)見表1。設(shè)計水泥土砂漿樁樁長為13 m，樁身彈性模量Ep=300 MPa，泊松比μc=0.2，重度γ=20 kN/m3。

表1 土體計算參數(shù)

2.2 模型合理性驗證

根據(jù)施工現(xiàn)場的施工順序和工況，將表1中土體參數(shù)以及砂漿樁參數(shù)代入模型當中，對斷面進行了同步施工分析。模型斷面最終的垂直位移以及水平位移云圖如圖2所示。

在模擬過程中采用分步施工，時間間隔設(shè)置為30 d，砂漿樁施工完畢后分層鋪設(shè)50 cm厚砂墊層，之后分層填筑填土。6 m高填土施工完成后進行為期一年的超載預壓，預壓換算土柱高度為1.86 m。預壓結(jié)束后進行路面結(jié)構(gòu)層施工，施工完成時的垂直位移和水平位移分別為216 mm和68 mm。通車之后加上行車靜荷載，當土體完全固結(jié)后的垂直位移與水平位移分別為237 mm和68 mm。對比結(jié)構(gòu)層施工完成的沉降，可得工后沉降為21 mm，符合JTG D30—2015公路路基設(shè)計規(guī)范以及JTG/T D31—02—2013公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則等規(guī)范中有關(guān)工后沉降控制標準。

根據(jù)現(xiàn)場實測的沉降數(shù)據(jù)可得K1+965斷面在路面結(jié)構(gòu)層施工完成后的沉降為244 mm。由此可見，本模型具有較高的適用性，運用Plaxis對軟基進行模擬是合理并且可行的。

2.3 計算結(jié)果分析

1)砂漿樁樁間距對路基沉降的影響。同一斷面若樁間距不同，路基沉降變化不同。為此，樁間距分別取值1.1 m，1.2 m，1.3 m，1.5 m，1.7 m，2.0 m，2.5 m，3.0 m，分別建立有限元模型計算路基的沉降。在不同樁間距下，樁體等效模量不同，表2給出了在不同樁間距下樁體的等效彈性模量及樁土面積置換率。

在不同樁間距下，樁間土體的參數(shù)也不同，根據(jù)式(1)，式(2)，可以得到各種樁間距下土體的彈性模量和泊松比。

Esp=(1-α)Es+αEp

(1)

μsc=(1-α)μs+αμc

(2)

其中，Esp，μsc均為樁間土體復合參數(shù)；Es為土體壓縮模量；μs為土體泊松比；Ep為樁身彈性模量；μc為樁身泊松比。

表2 不同樁間距樁體等效參數(shù)

由表2中所求的數(shù)據(jù)以及相關(guān)公式在平面模型中進行數(shù)值計算。通過計算不同樁間距下路基的沉降變化，計算最優(yōu)樁間距。在不同樁間距下，路基最大沉降值如表3所示。

表3 13 m樁長不同樁間距下路基最大沉降

分析13 m單樁長不同樁間距下路基的最大沉降量，畫出曲線圖，如圖3所示。

本例中路基最大沉降量呈拐折分布，分析其原因主要為：下臥層為較薄的粉質(zhì)粘土層和承載力較高的粉土層，當樁間距較小時，加固區(qū)的沉降較小，而由于樁體重度略大于土體，在樁間距過密時，樁身自重較大，會引起較大的下臥層沉降。本例中1.1 m間距下，模擬所得的下臥層沉降量為212 mm，加固區(qū)沉降為25 mm，可見水泥砂漿樁對淤泥質(zhì)土的加固效果很好。而隨著樁間距的增大，加固區(qū)由于置換率和復合地基壓縮模量的下降，樁間土的沉降開始增加，而下臥層的沉降隨著上部樁數(shù)的減少，其沉降量也會減小。本例中在1.5 m間距下，下臥層沉降為194 mm，而加固區(qū)的沉降增加到了38 mm。因此樁間距不是越小越好，也不是越大就越不好，它存在一個最優(yōu)的樁間距。本剖面最優(yōu)樁間距為1.5 m，此樁間距下路堤最大沉降量為232 mm。

將斷面樁長減至6 m，使下伏持力層變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)粘土，令樁間距為1.1 m，1.3 m，1.5 m，1.7 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，求得最大沉降與樁間距關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當砂漿樁持力層為承載力較差的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土時，總沉降有明顯的增加，其規(guī)律與圖3所顯示的長樁類似，總沉降隨著樁間距的增加而呈現(xiàn)先減后增的趨勢，其變化幅度要更加明顯。而且隨著樁間距的增加，工后沉降也呈現(xiàn)先減后增的規(guī)律。在本組對比中的最優(yōu)樁間距為1.3 m，其工后沉降為50 mm。

綜上所述，當砂漿樁打穿軟土地層，其持力層為承載力較好的土層時，沉降量對樁間距的增減并不敏感，1.1 m～1.5 m的間距下，沉降相差并不大，此時加固區(qū)土體的壓縮量和下臥層土體的壓縮量都較小，可根據(jù)工程對承載力的需求確定樁間距的大小；而砂漿樁未打穿軟土地層，其持力層為性質(zhì)較差的土層時，下臥層的壓縮量相對要大得多，本例中加固區(qū)的淤泥質(zhì)土也存在較大的壓縮量，導致總沉降量要大，而且淤泥質(zhì)土的滲透性較差，當存在較大的沉降時，需要更久的時間來消散超靜孔隙水壓力，使土壤固結(jié)。對比兩種不同樁長不同間距下的路基沉降曲線，可得出本斷面的最優(yōu)樁間距為1.3 m～1.5 m。

2)砂漿樁樁長對路基沉降的影響。復合地基中的樁體通過樁側(cè)摩阻力和樁端阻力把承受的荷載傳遞到土體中去，因為樁體的壓縮模量比天然地基土的壓縮模量大得多，所以在這個過程中樁體承擔的荷載相對較大，樁間土承擔的荷載相對較小，在一定程度上減小了樁間土的沉降量。

隨著樁長的增加，樁間土和樁體的沉降量在一定程度上有所減小。但是地基的沉降量并不是隨著樁長的增加無限的減小，當樁長增加到一定程度時對地基沉降量的影響不大。因此，在地基處理的設(shè)計過程中并不能只通過增加樁體的長度來達到地基沉降量減小的目的，在不合理的范圍內(nèi)一味的提高樁體的長度只會造成浪費。

選取K1+965斷面作為模擬斷面，樁間距按設(shè)計實際施工所使用的1.1 m樁間距，根據(jù)不同的地層厚度，分別使用6 m，8.5 m，12 m，13 m，16.5 m，18 m樁長計算路基沉降。各模型均按照相同施工步驟加載到土體完全固結(jié)，所得不同樁長下的水平位移、垂直位移，以及工后沉降量詳見表4。

表4 不同樁長下路基位移表

由圖4以及表4可知，當樁長為6 m時，砂漿樁沒有打穿淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，路基的垂直位移為330 mm，水平位移為83 mm，此樁長下的位移量明顯大于其他樁長。主要原因是下臥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土具有較大的壓縮性，當出現(xiàn)較大的壓縮變形之后，難以較快的將水排出，也會造成較大的工后沉降量。當樁長增加到8.5 m時，位移量有較為明顯的下降，垂直位移比6 m樁長的砂漿樁減小了約70 mm，為258 mm。此時樁體打穿淤泥質(zhì)土層，下臥土層變?yōu)榉弁翆?，由于粉土層性質(zhì)較好，樁體的側(cè)移量并不明顯，而是在下臥土層中的粉質(zhì)粘土層中出現(xiàn)了較大的水平位移，大小為53 mm。隨著樁長的繼續(xù)增加，土體變形量在持續(xù)減小，而且工后沉降量也隨著樁長的增加而減小。

將表4中數(shù)據(jù)繪制成曲線圖得到的趨勢更加明顯，如圖5所示，當打穿粉質(zhì)粘土層之后，沉降隨樁長變化并不明顯，之后繼續(xù)增加樁長并不能有效的減小路基的沉降。由圖5可知，路基沉降曲線出現(xiàn)兩個拐點，一個是樁身打穿淤泥質(zhì)土層時，另一個是土層打穿粉質(zhì)粘土層時，可見沉降的減小與地層性質(zhì)有很大關(guān)系，砂漿樁對性質(zhì)較差的土體加固效果明顯。

綜上所述，路基沉降與工后沉降量均隨著樁長的增加而減小。在設(shè)計中應確保砂漿樁對性質(zhì)較差的土體的加固效果，在性質(zhì)較好的土層中過分增加樁長，對沉降的減小并不明顯。本例中砂漿樁的最佳樁長為12 m～16.5 m。

3 結(jié)論與建議

1)水泥砂漿樁復合地基的變形沉降影響因素有很多，包括樁長、置換率、樁直徑、樁間距、地基土性質(zhì)等。

2)對比實測數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值模擬計算值，可見運用Plaxis進行軟基數(shù)值模擬的合理性和適用性，且水泥砂漿樁對土體的加固起到了非常良好的效果，有效地減少了軟土路基施工、預壓期沉降及工后沉降。

3)通過對K1+965斷面進行有限元模擬，得出斷面的最佳樁長為12 m～16.5 m，最佳樁間距為1.3 m～1.5 m，最佳樁直徑為0.5 m～0.6 m。應同時兼顧地質(zhì)條件及工程經(jīng)濟性，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果選擇最優(yōu)的處理方式。

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The soft foundation treatment optimization research on cement slurry pile based on Plaxis

Lu Yexu

(RailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Tianjin300251,China)

Taking a road engineering in Tianjin Binhai area as the research object, this paper established the finite element model, researched the settlement law and deformation mechanism of soft soil roadbed under different pile spacing, pile length, concluded the general methods of cement mortar pile spacing selection, pile length and other parameters, had certain

ignificance to guide the engineering design.

cement mortar pile, numerical simulation, embankment settlement

1009-6825(2016)05-0091-03

2015-12-03

盧業(yè)旭(1989- )，男，助理工程師

TU447

A