軟基段剛性樁承加筋路堤的作用機(jī)理分析

■黃怡君

（廈門中平公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司泉州分公司，泉州 362000）

1 引言

泉州市沿海地區(qū)海相軟土分布十分廣泛，軟土地基的含水量高、壓縮模量小導(dǎo)致其承載力較差[1-2]。在軟土修建公路，軟基處理方案的選擇一直是困擾工程師的難題之一。目前處理軟基的方法有很多，例如復(fù)合地基法、排水固結(jié)法等。排水固結(jié)法是使土中的孔隙水快速排出，加快土的固結(jié)沉降從而減少工后沉降[3]；復(fù)合地基法是通過(guò)協(xié)調(diào)樁與土的變形使樁和土共同承載上部荷載，充分的發(fā)揮土的承載力，從而提高路基的承載力減小沉降量[4]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)軟基的處理開(kāi)展了一系列的研究，并且取得了豐富成果。崔溦[5]等通過(guò)有限元分析，研究碎石樁聯(lián)合土工格柵在處理軟基的變形特性、受力及作用機(jī)制。蔣鵬飛等通過(guò)土工格室墊層+碎石樁復(fù)合地基處理軟基的室內(nèi)外試驗(yàn)，對(duì)其形成特點(diǎn)和作用機(jī)理進(jìn)行了研究。劉雷[7]等在碎石擠密樁加固原理的基礎(chǔ)上對(duì)其設(shè)計(jì)與施工方法進(jìn)行了研究。黃瑞章[8]等針對(duì)泉州市某道路采用拋石擠淤并結(jié)合強(qiáng)夯法進(jìn)行軟基處理，并對(duì)其處理效果進(jìn)行檢驗(yàn)。翟光明[9]通過(guò)工程案例對(duì)碎石樁處理軟基的施工工藝進(jìn)行了研究分析。由此可見(jiàn)，以上研究主要集中在對(duì)柔性樁承加筋處理軟基的研究，但此類樁型大多存在路基工后沉降大的缺陷。近年來(lái)，剛性樁承加筋路堤充分利用剛性樁的沉降小的特點(diǎn)，已逐漸在軟基處理中廣泛采用，但相比較于柔性樁，剛性樁承加筋路堤的作用機(jī)理的研究仍顯滯后。

鑒于此，本文以晉江市東石鎮(zhèn)環(huán)灣大道工程為依托，針對(duì)剛性樁承加筋對(duì)軟土路基進(jìn)行處理，采用有限元軟件對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其作用機(jī)理。

2 工程概況

2.1 軟基地質(zhì)概況

晉江市東石鎮(zhèn)環(huán)灣大道工程位于晉江經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)東石園區(qū)內(nèi)，該工程主要不良地質(zhì)地質(zhì)為海灣灘涂地段的軟土。經(jīng)鉆探顯示，其巖土層分布及特征自上而下分述如表1所示。

表1 土層分布及特征表

經(jīng)地質(zhì)鉆探結(jié)果顯示，該工程淤泥質(zhì)軟弱地基，其具體特征如下：

（1）淤泥的厚度很大，最大厚度達(dá)15m。

（2）滲透性及賦水性較強(qiáng)，具有呈壓性，不利于土的固結(jié)。

（3）淤泥壓縮系數(shù)大，較大的壓縮性使路基在建成后出現(xiàn)較大的沉降。

（4）淤泥的抗剪強(qiáng)度低，黏聚力較小，使得路基在建成后容易出現(xiàn)剪切破壞。

2.2 軟基處理方案

通過(guò)對(duì)晉江市在建和已建軟基處理設(shè)計(jì)方案的處理效果進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)該項(xiàng)目沿線軟土地基的分布情況及特征，從施工難易、對(duì)環(huán)境的影響及造價(jià)等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，擬定軟基處理方案。對(duì)于一般路段，采用擠密砂樁+砂墊層+填土預(yù)壓進(jìn)行特殊路基處理；由于橋臺(tái)背后30m過(guò)渡段要求沉降量更小，因此擬定使用C15砼剛性樁加筋作為軟基處理方案。

C15砼樁等邊三角形進(jìn)行布設(shè)，樁徑為50cm，樁身進(jìn)入持力層不小于1m，樁間距為1.5m，樁頂設(shè)置C25砼樁帽，采用鉆孔灌注施工法。在C15砼樁施工完成并檢驗(yàn)合格后，在樁頂鋪設(shè)50cm層砂墊層和兩層土工格柵，最終填土施工至路堤頂后，經(jīng)監(jiān)測(cè)沉降滿足要求之后進(jìn)行路面施工。典型軟基處理斷面如圖1所示。

圖1 典型C15砼樁承加筋路堤方案

3 有限元分析

3.1 幾何模型

為分析C15砼樁承加筋路堤中的應(yīng)力特征和沉降變化規(guī)律，通過(guò)建立ABAQUS有限元模型進(jìn)行分析。由于模型呈幾何對(duì)稱，取路堤橫截面的一半進(jìn)行有限元模擬。路堤高度4.730m，路堤頂面寬度25m，路堤邊坡坡度1∶1.5，分別在離地0m和0.25m處的路堤內(nèi)鋪設(shè)土工格柵；地基部分深度為17.6m，寬度為37m，在地基內(nèi)每隔1.5m埋設(shè)直徑為0.5m的C15砼樁，樁長(zhǎng)8.6m，在離坡腳2m處停止埋設(shè)，幾何模型如圖2所示。對(duì)C15混凝土樁、路堤及地基，網(wǎng)格劃分采用平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)單元（CPE4），土工格柵采用二結(jié)點(diǎn)二維桁架（T2D2），網(wǎng)格劃分如圖3所示。樁與淤泥摩擦系數(shù)取0.3，利用ABAQUS的Embedded region嵌入功能設(shè)置土工格柵與路堤土體接觸關(guān)系。

圖2 幾何模型圖

圖3 網(wǎng)格劃分

3.2 材料參數(shù)

各土層材料參數(shù)如表2所示。其中淤泥采用修正劍橋本構(gòu)模型，其余土層采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

表2 各土層材料參數(shù)表

3.3 邊界條件

對(duì)于邊界條件，在模型兩邊約束模型的水平位移，在模型底面約束模型的水平及豎向位移。對(duì)于初始條件，利用ABAQUS有限元軟件中的Geostatic進(jìn)行分析，由于土體受到重力的作用，所以設(shè)置的初始應(yīng)力與重力相平衡，而且不產(chǎn)生任何位移。ABAQUS/Standard會(huì)在Geostatic步中進(jìn)行迭代，從而建立與載荷及邊界條件相對(duì)應(yīng)的平衡狀態(tài)，即調(diào)整初始條件所給出的應(yīng)力場(chǎng)，并以此作為后續(xù)分析的初始狀態(tài)。利用ABAQUS中的單元生死功能模擬軟基加固的全過(guò)程。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 沉降分析

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)路基沉降進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中分級(jí)加載，以模擬施工過(guò)程，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基在施工期間各個(gè)時(shí)段的沉降量，從施工期截止觀測(cè)時(shí)間為360d，計(jì)算的基沉降如圖4所示。模擬沉降量與實(shí)測(cè)沉降量如圖5所示。

圖4 路基沉降云圖（單位：m）

由圖4、5可知，數(shù)值模擬在第一次填土完成過(guò)后路基的沉降量為5.77cm，第二次填土完成時(shí)路基的沉降量為8.02cm。數(shù)值模擬的沉降曲線與實(shí)測(cè)的沉降曲線將較為接近，路基的在施工結(jié)束后沉降量都在8.00cm左右，且都有收斂趨勢(shì)。說(shuō)明所建立的模型計(jì)算精度較好，可滿足工程計(jì)算要求。

圖5 模擬沉降曲線與實(shí)測(cè)沉降曲線

3.4.2 格柵應(yīng)變

圖6中的四張折線圖是路堤填筑過(guò)程中，兩層土工格柵以長(zhǎng)度為標(biāo)尺的水平方向應(yīng)變變化對(duì)比圖，其中上層格柵為第一層格柵，下層為第二層。

從圖6可以看到，路堤填筑過(guò)程中，格柵應(yīng)變始終呈鋸齒狀上下波動(dòng)，格柵應(yīng)變波峰與砼樁位置基本重合，波谷也處于樁間范圍，這是由于砼樁對(duì)格柵的支撐作用，而樁間范圍的淤泥并不能提供有效的支撐。從a圖可以看出，第一層土填完后0～20m范圍波峰和波谷差值大，20m以后差值減小，其原因是由于第一層填土完成后，地基有路堤部分對(duì)加固后的軟基存在“擠出”趨勢(shì)，導(dǎo)致靠右側(cè)的砼樁受水平荷載較大，彎曲更為明顯，砼樁對(duì)格柵的支撐作用減弱。從b圖可以看出，第一層和第二層格柵應(yīng)變的最大值出現(xiàn)的位置不同，這是由于軟基的“擠出”趨勢(shì)導(dǎo)致路堤在右側(cè)水平位移變大，因此第一層格柵應(yīng)變最大值出現(xiàn)在右側(cè)，而第二層格柵貼進(jìn)砼樁，導(dǎo)致“擠出”趨勢(shì)對(duì)其影響較小，最大應(yīng)變還是出現(xiàn)在左側(cè)。從c圖和d圖可以看出，兩層格柵變化規(guī)律基本一致，而完成第二層填土后，由于上部荷載加大，格柵應(yīng)變明顯變大。

3.4.3 樁的彎矩

選?、佗冖厶?hào)樁對(duì)其在兩次填土后的彎矩進(jìn)行分析，比較各樁彎矩的差異，并對(duì)比其兩次填土前后的各樁彎矩變化，兩次填土前后的樁身彎矩如圖所示。

由圖7可見(jiàn)，三根樁彎矩存在較大的差異，①號(hào)樁所受的彎矩最小，其次是②號(hào)樁。完成填土后各自最大彎矩分別為158N·m和932N·m，而③樁最大彎矩要大得多，達(dá)到了160kN·m。這是由于①②樁力路堤中心較近，土體和樁主要承受豎向壓力；而③樁力路堤中心較遠(yuǎn)，土體對(duì)樁身的側(cè)向壓力較大，因此樁身的彎矩也較大。三根樁在兩次填土前后的彎矩變化很小，是由于第一次填土量比第二次要大很多。

圖6 格柵應(yīng)變

圖7 樁身彎矩

4 結(jié)論

針對(duì)剛性樁承加筋對(duì)軟土路基進(jìn)行處理，采用有限元軟件對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其作用機(jī)理，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用剛性樁承加筋對(duì)軟基進(jìn)行處理能起到很好的加固作用，能有效減少路基施工期間和工后的沉降，防止路基失穩(wěn)。

（2）由于樁頂對(duì)土工格柵的支撐作用，樁頂位置對(duì)應(yīng)的土工格柵應(yīng)變比樁間對(duì)應(yīng)位置??；遠(yuǎn)離路堤中心的土體側(cè)向形變較大，導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)位置的土工格柵應(yīng)變較大。

（3）靠近路堤中心的樁受到的主要為軸向應(yīng)力，其彎矩很?。贿h(yuǎn)離路堤中心的樁由于受到土體側(cè)向變形而產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力，其彎矩很大。

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