水泥攪拌樁處理軟土路基變形影響因素分析

王 勇

(河南永明市政園林建設(shè)有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453099)

隨著我國(guó)公路事業(yè)高速發(fā)展,人民的出行也越來(lái)越便利。高速公路在建設(shè)過(guò)程中由于地形環(huán)境的影響,經(jīng)常會(huì)遇到需將道路修建在軟土地基上的情況[1]。水泥攪拌樁因具有施工簡(jiǎn)便、成本低和加固效果好等優(yōu)點(diǎn),已成為軟土地基處理中被廣泛應(yīng)用的方法之一。因此針對(duì)水泥攪拌樁處理軟土路基的影響因素展開(kāi)分析對(duì)維護(hù)道路穩(wěn)定性具有重要意義[2]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外關(guān)于軟土路基處理方法的影響因素出現(xiàn)了大量研究。如Hou等[3]研究了水泥攪拌樁在處理軟弱地基效果時(shí)的評(píng)價(jià)方法;Werasak等[4]探討了不同類型的剛性芯材承受循環(huán)側(cè)向荷載時(shí),對(duì)改善水泥攪拌樁承載力的影響;高志明等[5]對(duì)多級(jí)邊坡公路施工中軟土路基高強(qiáng)度防沉陷處理進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn)水泥攪拌樁的軟土路基高強(qiáng)度防沉陷處理方法能有效地解決軟土路基不均勻沉陷問(wèn)題,提高公路的施工質(zhì)量,具有廣泛應(yīng)用價(jià)值;問(wèn)建學(xué)等[6]對(duì)FLAC3D模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基變形進(jìn)行了研究,研究表明FLAC3D能較好地模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基的施工過(guò)程,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合,可作為地基處理效果評(píng)價(jià)和工后沉降計(jì)算的基礎(chǔ),為類似工程提供借鑒;余敦猛[7]對(duì)格構(gòu)式水泥攪拌樁在地基處理與基坑加固工程中的應(yīng)用展開(kāi)了研究,研究發(fā)現(xiàn)采用格構(gòu)式水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理兼做基坑被動(dòng)區(qū)加固設(shè)計(jì),在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和工期上均具有很大優(yōu)勢(shì),可供類似工程借鑒;何開(kāi)勝等[8]針對(duì)高黏性軟土中水泥攪拌樁的施工工藝和檢測(cè)評(píng)估方法進(jìn)行了探討,提出了適合該工程攪拌樁的施工工藝、質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),解決了在蘇北地區(qū)黏性很大的軟土中攪拌樁成樁質(zhì)量難于保證的問(wèn)題。上述研究基本是針對(duì)軟土路基不同處理方法展開(kāi)分析,而關(guān)于采用水泥攪拌樁處理軟土路基的影響因素還有待進(jìn)一步研究。基于此,通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立軟土路基數(shù)值模型,并針對(duì)不同影響因素對(duì)路堤位移及應(yīng)力的影響規(guī)律展開(kāi)了研究。

1 工程概況

某高速公路位于北溫帶大陸季風(fēng)性氣候地區(qū),冬季長(zhǎng)春秋季短,平均氣溫在4.3℃左右,降雨充沛。該路段全長(zhǎng)158.6 km,填土方量共計(jì)6 687 415 m3,路基寬度為24 m,車道設(shè)計(jì)為雙向四車道,行車速度為100 km/h,最大縱坡為3%。主線共跨越三大河流,修建大中小橋梁126座,穿越涵洞252道。路堤填土上層采用紅褐色中等密實(shí)的風(fēng)化砂,下層采用中等壓縮性的粘性土,地基土的組成主要包括:上部具有可塑性、中等壓縮性的黃褐色粉質(zhì)粘土,中部中等密實(shí)度的灰褐色中砂及下部下覆基巖。軟土路基處理方式采用鋪裝水泥攪拌樁形式,水泥攪拌樁長(zhǎng)度為12 m,直徑為55 cm,放置間距為2 m,采用梅花形布置,其橫截面結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 水泥攪拌樁處理地基橫截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of section of foundation processed by cement mixing piles

2 模型建立

通過(guò)運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立水泥攪拌樁處理軟土地基數(shù)值模型,模型中路堤頂部寬度為24 m,底部寬度為40 m,高度為15 m,邊坡坡度為1∶1.5,地基寬度為44 m,水泥攪拌樁處理至路堤邊坡坡角2 m外,計(jì)算時(shí)水泥攪拌樁長(zhǎng)度按120 m考慮,模型中共包含238個(gè)單元和345個(gè)節(jié)點(diǎn),其有限元模型如圖2所示。

圖2 水泥攪拌樁處理地基有限元模型Fig.2 Finite elements model of foundation processed by cement mixing piles

計(jì)算模型中路基填土、地基土、粉質(zhì)粘土層、中砂層及下覆基巖的本構(gòu)模型全部采用摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性模型,由于水泥攪拌樁的材料剛度要比土體材料的剛度大,所以樁體本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型。計(jì)算過(guò)程中需對(duì)模型進(jìn)行以下假定:水泥攪拌樁處理的區(qū)域土體及材料均采用摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性模型計(jì)算,樁體單元按照線彈性模型計(jì)算;假定模型初始位移為零,同時(shí)不考慮初始應(yīng)力和施工過(guò)程的作用;忽略樁體與土體之間摩擦力的作用。模型中邊界條件的選擇:對(duì)地基左右兩側(cè)進(jìn)行水平向約束;對(duì)地基底部進(jìn)行水平向和豎直向約束;模型上部為自由界面。模型中土體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體材料物理參數(shù)

3 結(jié)果與分析

為研究水泥攪拌樁處理軟土地基不均勻程度對(duì)路堤變形的影響,通過(guò)運(yùn)用有限元軟件調(diào)整地基土A、B、C、D 4個(gè)區(qū)域的彈性模量,分別模擬①、②、③、④ 4種地基不均勻程度對(duì)路堤的位移和應(yīng)力影響進(jìn)行了分析,其地基不均勻程度劃分見(jiàn)表2。

3.1 地基不均勻程度的影響

軟土地基的不均勻程度會(huì)對(duì)路堤變形造成一定影響,運(yùn)用有限元軟件模擬①～④ 4種地基不均勻程度,并通過(guò)計(jì)算模型針對(duì)路堤位移和應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析,得出路堤最大位移及應(yīng)力隨地基不均勻程度的變化曲線,如圖3所示。

根據(jù)圖3(a)可知,隨著軟土地基不均勻程度由①至④變化,路堤最大水平位移呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。地基不均勻程度為②時(shí),路堤最大水平位移值最小,約為15 mm,當(dāng)?shù)鼗痪鶆虺潭瘸^(guò)②時(shí),路堤最大水平位移越來(lái)越大,說(shuō)明隨著地基不均勻程度的增大,路堤的最大水平位移會(huì)逐漸增大。隨著軟土地基不均勻程度的增大,路堤的最大豎向位移呈逐漸減小趨勢(shì),且變化幅度較大,其中地基不均勻程度由①變化至②時(shí),路堤最大豎向位移減小幅度最大,然后減小幅度隨之逐漸變小,說(shuō)明增大地基不均勻程度有利于減小路堤最大豎直位移。圖3(b)為路堤最大應(yīng)力值隨地基不均勻程度變化圖,隨著軟土地基不均勻程度的增大,路堤最大水平和豎向應(yīng)力均呈逐漸增大趨勢(shì),其中路堤最大豎向應(yīng)力值要遠(yuǎn)大于水平向應(yīng)力值。綜上所述,并結(jié)合路堤位移隨地基不均勻程度的變化規(guī)律,當(dāng)?shù)鼗痪鶆虺潭葹楣r②時(shí),路堤的變形量和應(yīng)力值最為合理。

表2 地基不均勻程度

圖3 路堤最大位移及最大應(yīng)力隨地基不均勻程度的變化曲線Fig.3 Unevenness of foundation-embankment deformation curve

3.2 路堤高度的影響

路堤填筑高度是影響路堤變形的重要因素之一,合理的路堤高度可以更好地維護(hù)路基安全穩(wěn)定性。通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立路堤高度分別為15 m、20 m、25 m、30 m的軟土路基數(shù)值模型,并針對(duì)不同填筑高度路堤的位移和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析,得出路堤位移及應(yīng)力隨路堤高度的變化曲線,如圖4所示。

圖4 路堤最大位移及最大應(yīng)力隨路堤高度的變化曲線Fig.4 Embankment height-embankment deformation curve

由圖4(a)可知,隨著路堤填筑高度的增大,路堤的最大水平位移和最大豎直位移均呈不斷增大趨勢(shì)。路堤填筑高度由15 m增至20 m時(shí),路堤最大水平位移和豎直位移增長(zhǎng)幅度大致相似,當(dāng)路堤高度超過(guò)20 m后,最大水平位移和豎直位移增長(zhǎng)幅度均變大,其中最大水平位移增大了近110 mm,最大豎直位移增大了約25 mm,最大水平位移增長(zhǎng)幅度要遠(yuǎn)大于最大豎直位移增長(zhǎng)幅度,說(shuō)明路堤填筑高度的增加對(duì)最大水平位移的影響較大。圖4(b)為路堤最大應(yīng)力值隨路堤高度變化圖,隨著路堤填筑高度的增大,路堤的最大水平向和豎向應(yīng)力均呈不斷增大趨勢(shì),其中路堤豎向應(yīng)力值較大,水平向應(yīng)力值較小。路堤填筑高度<20 m時(shí),路堤最大水平和豎向應(yīng)力值增長(zhǎng)幅度較小,當(dāng)路堤高度>20 m時(shí),最大水平和豎向應(yīng)力值增長(zhǎng)幅度均變大。綜上所述,為減小路堤的位移變形和應(yīng)力變形,建議路堤填筑高度<20 m最為適宜。

3.3 樁長(zhǎng)的影響

為研究水泥攪拌樁樁長(zhǎng)對(duì)路堤變形的影響,通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立樁長(zhǎng)分別為10 m、15 m、20 m、25 m的軟土路基數(shù)值模型,并針對(duì)不同樁長(zhǎng)的路堤位移和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析,得出路堤位移及應(yīng)力隨樁長(zhǎng)的變化曲線,如圖5所示。

根據(jù)圖5(a)可知,隨著水泥攪拌樁長(zhǎng)度的增長(zhǎng),路堤最大水平位移和豎直位移均呈不斷減小趨勢(shì),其中路堤豎直向最大位移均大于水平向最大位移。當(dāng)樁長(zhǎng)由10 m增至15 m時(shí),路堤最大水平向和豎直向位移減小幅度最大,樁長(zhǎng)由15 m增至20 m時(shí),路堤位移減小幅度有所下降;樁長(zhǎng)由20 m增至25 m時(shí),路堤位移減小幅度最小,說(shuō)明增加樁長(zhǎng)可以有效降低路堤水平和豎直位移,但處理效果會(huì)隨著樁長(zhǎng)的增加而逐漸下降。圖5(b)為路堤的最大應(yīng)力值隨樁長(zhǎng)變化圖,隨著水泥攪拌樁長(zhǎng)度的增長(zhǎng),路堤的最大水平應(yīng)力呈緩慢減小趨勢(shì),最大豎向應(yīng)力變化不大,說(shuō)明增加樁長(zhǎng)可以稍微降低路堤的應(yīng)力變形量。綜上所述,雖然不斷增加水泥攪拌樁長(zhǎng)度可以有效減小路堤變形,但施工難度和成本也會(huì)隨之增加,因此實(shí)際工程中需結(jié)合地基土質(zhì)情況選擇適宜的水泥攪拌樁長(zhǎng)度。

圖5 路堤最大位移及最大應(yīng)力隨不同樁長(zhǎng)的變化曲線Fig.5 Different pile lengths-embankment deformation curve

3.4 樁間距的影響

通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立水泥攪拌樁間距分別為1.5 m、2.0 m、2.5 m及3.0 m的軟土路基計(jì)算模型,并針對(duì)路堤位移和應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析,得出路堤位移及應(yīng)力隨樁間距的變化曲線,如圖6所示。

由圖6(a)可知,隨著水泥攪拌樁樁位間距的增加,路堤的最大水平和豎直位移均呈不斷增大趨勢(shì),其中水平向最大位移增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于豎直向位移,說(shuō)明增加樁位間距對(duì)水平位移影響較大。樁位間距由1.5 m增至2.0 m時(shí),路堤的最大水平和豎直位移增長(zhǎng)幅度相對(duì)最小,當(dāng)樁位間距超過(guò)2.0 m后,路堤的最大水平和豎直位移增長(zhǎng)幅度開(kāi)始逐漸增大,說(shuō)明增大樁位間距會(huì)導(dǎo)致路堤變形越來(lái)越大。圖6(b)為路堤最大應(yīng)力值隨樁位間距變化曲線,隨著水泥攪拌樁樁位間距的增加,路堤最大水平向應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì),最大豎向應(yīng)力呈逐漸增大趨勢(shì),說(shuō)明增大樁位間距可以減小路堤水平向應(yīng)力變形,但同時(shí)會(huì)增大豎向應(yīng)力變形。綜上所述,在實(shí)際工程中水泥攪拌樁樁位間距不宜過(guò)大,建議樁位間距以不超過(guò)2.0 m最為適宜。

圖6 路堤最大位移及最大應(yīng)力隨不同樁間距的變形曲線Fig.6 Different pile gap-embankment deformation curve

4 結(jié)論

(1) 隨著地基不均勻程度增大,路堤水平位移先減小后增大,豎直位移不斷減小。路堤最大應(yīng)力隨地基不均勻程度的增大呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì),當(dāng)?shù)鼗痪鶆虺潭葹楣r②時(shí),路堤的變形量和應(yīng)力值最為合理。

(2) 隨著路堤填筑高度的增大,路堤的最大位移和最大應(yīng)力均呈不斷增大趨勢(shì)。當(dāng)路堤高度<20 m時(shí),路堤位移和應(yīng)力增大幅度較小,路堤高度>20 m時(shí),位移和應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較大,因此實(shí)際工程中建議路堤高度<20 m。

(3) 增加水泥攪拌樁長(zhǎng)度可以有效減小路堤變形和輕微的降低路堤的應(yīng)力變形,但施工難度和成本也會(huì)隨之增加,因此實(shí)際工程中需結(jié)合地基土質(zhì)情況選擇適宜的水泥攪拌樁長(zhǎng)度。

(4) 增加水泥攪拌樁樁位間距會(huì)增大路堤位移變形和水平應(yīng)力變形,在實(shí)際工程中水泥攪拌樁樁位間距不宜過(guò)大,建議以樁位間距不超過(guò)2 m最為適宜。