水泥攪拌樁加固路堤邊坡穩(wěn)定性研究

袁 哲

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

隨著國家現(xiàn)代化進(jìn)程不斷深化，我國建設(shè)的公路鐵路項(xiàng)目越來越多，而我國地形復(fù)雜多變，許多公路鐵路工程路基并不理想，軟弱路基層出不窮，而水泥攪拌樁可以有效改良軟弱路基，增強(qiáng)路堤穩(wěn)定性，目前已有不少學(xué)者對此展開了研究。張衛(wèi)民[1]等通過對某實(shí)際工程進(jìn)行研究，分析了粒料樁對軟弱路基的加固作用，以及影響粒料樁對路堤穩(wěn)定性加固作用的影響因素；吳春秋[2]等通過復(fù)合地基對路堤的加固作用，使用極限平衡法和有限單元法分別計(jì)算了路堤穩(wěn)定性，并進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)極限平衡法的不適用領(lǐng)域；鄭剛[3]等使用多種計(jì)算分析方法對水泥攪拌樁加固軟土的路堤穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了不同計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果差異較大，并提出使用多種簡化計(jì)算方法以保證設(shè)計(jì)冗余度的建議；方建瑞[4]等通過對二維有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析，并推廣到三維層次，并將三維有限元強(qiáng)度折減法與三維極限平衡法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際對比，證明了三維有限元方法更符合工程實(shí)際；俞建霖[5]等在極限平衡法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的計(jì)算剛性樁加固軟弱路基的路堤邊坡穩(wěn)定性的分析方法，并與數(shù)值分析方法計(jì)算結(jié)果相對比，驗(yàn)證了該分析方法的合理性；劉晉南[6]等通過運(yùn)用非線性有限單元法和強(qiáng)度折減法，建立數(shù)值分析模型，模擬路堤施工工況，分析了路基土體變形和邊坡穩(wěn)定性，并給出了實(shí)際工程相關(guān)建議；張土喬[7]等通過對水泥土樁成樁過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了引起水泥土樁加固軟弱土地基沉降的重要原因之一是樁周土的固結(jié)；劉勇健[8]等通過研究水泥土攪拌法的機(jī)理，分析了影響水泥攪拌樁加固作用的主要因素，并提出了相關(guān)實(shí)用建議；葉觀寶[9]等室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)際相結(jié)合，對水泥攪拌樁的應(yīng)力集中問題進(jìn)行了分析，并分析了其受力特性。

本文將結(jié)合實(shí)際路堤邊坡工程，使用PLAXIS 3D有限元軟件對水泥攪拌樁加固路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并分析樁長、樁徑和樁間距對路堤穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

本文針對某實(shí)際工程鐵路路堤進(jìn)行有限元建模分析，該工程場地多為軟土，軟土層厚度從6m到20m不等，該軟土層的承載力極低、滲透性差、壓縮性較高，且含有砂層，且砂層不規(guī)則；該鐵路沿線環(huán)境較特殊，復(fù)雜多變，故而廣泛分布有軟弱土層，主要為粉細(xì)砂或細(xì)砂、黏土和淤泥質(zhì)土之類的軟弱土。針對該工程的復(fù)雜地質(zhì)情況，該工程采用水泥攪拌樁處理軟弱土層。

2 計(jì)算模型建立

本文使用PLAXIS 3D有限元軟件對水泥攪拌樁加固路堤進(jìn)行建模分析，PLAXIS 3D適用于巖土工程，各種結(jié)構(gòu)單元較為成熟，能夠準(zhǔn)確模擬水泥攪拌樁對軟弱地基的加固。

該工程鐵路路基典型斷面如圖1所示，該典型斷面路堤填高8m，坡度為1∶2，每4m設(shè)置一級放坡，共兩級放坡，采用分層填筑法對路堤進(jìn)行填筑，每次填筑耗時(shí)定為20d，并在填筑后自固結(jié)30d，再進(jìn)行下一層填筑，每層填筑2m。該典型斷面的地基土層較為單一，厚度也較均勻，可以簡化模型，優(yōu)化計(jì)算。該典型斷面軟弱土層平均厚度為11m，軟弱土層下為砂土層，厚13m。該典型斷面為對稱結(jié)構(gòu)，該路堤的約束條件與幾何形狀皆為關(guān)于路堤中軸面對稱，可根據(jù)圖1取其中一半，截取8m寬斷面建立三維有限元模型如圖2所示，可以簡化模型，優(yōu)化計(jì)算，縮短計(jì)算時(shí)間，且并不會(huì)降低精度。該工程設(shè)計(jì)加固路堤使用的水泥攪拌樁長為12m，直徑為0.5m，樁心間距為1.2m。

圖1 路堤橫斷面圖(單位：m)

圖2 水泥攪拌樁處理軟基三維模型圖

該模型使用Embedded樁單元模型水泥攪拌樁，單元數(shù)量共1162個(gè)；使用采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元模擬軟弱土層和砂土層，采用線彈性本構(gòu)，單元數(shù)量共85881個(gè)。土層參數(shù)見表1，樁參數(shù)見表2。

表1 土體參數(shù)表

表2 水泥攪拌樁物理參數(shù)表

3 穩(wěn)定性分析

3.1 水泥攪拌樁樁長對路堤穩(wěn)定性的影響

本文通過PLAXIS 3D有限元軟件，模擬分析樁徑、樁間距固定為0.5m和1.2m時(shí)，不同水泥攪拌樁長對路堤穩(wěn)定性的影響，不同樁長下路堤穩(wěn)定性系數(shù)、總沉降和工后沉降的變化趨勢如圖3—5所示。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，路基未處理時(shí)，即樁長為0m時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)為1.15，而《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》與《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊》中給出的有效固結(jié)應(yīng)力法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)容許值為1.30，所以未處理時(shí)的路基處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要進(jìn)行加固，當(dāng)樁長小于6m時(shí)，路堤穩(wěn)定性系數(shù)隨著樁長增長而急速上升，但當(dāng)樁長超過6m時(shí)，路堤穩(wěn)定性趨近于穩(wěn)定，在一定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，說明當(dāng)樁長超過6m時(shí)，對路堤穩(wěn)定性的提升極其有限，單純此時(shí)增長樁長無法有效地增加路堤的穩(wěn)定性系數(shù)。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)隨樁長變化曲線圖

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，增長樁長可以減小路堤的總沉降，但當(dāng)樁長增長到11m時(shí)，即樁身穿透軟弱土層后，總沉降量也趨于穩(wěn)定，說明此時(shí)單純增長樁長也無法有效地減小路堤的總沉降量。

圖4 總沉降隨樁長變化曲線圖

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，增長樁長可以減小路堤的工后沉降，當(dāng)樁長小于到7m時(shí)，增長樁長可以很有效的控制工后沉降，但當(dāng)樁長大于7m時(shí)，雖然增加樁長，依舊有降低工后沉降的作用，但控制工后沉降效果不明顯，本文以路堤填筑完成后，孔隙水壓力降低到1kPa時(shí)的沉降量為工后沉降量。

圖5 工后沉降隨樁長變化曲線圖

3.2 水泥攪拌樁樁徑對路堤穩(wěn)定性的影響

同樣，本文通過PLAXIS 3D有限元軟件，模擬分析樁長、樁間距固定為12m和0.5m時(shí)，不同水泥攪拌樁徑對路堤穩(wěn)定性的影響，不同樁徑下路堤穩(wěn)定性系數(shù)、總沉降和工后沉降的變化趨勢如圖6—8所示。

圖6 穩(wěn)定系數(shù)隨樁徑變化曲線圖

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，路堤穩(wěn)定性系數(shù)隨著樁徑增加，有著明顯增加，當(dāng)樁徑小于0.4m時(shí)，路堤穩(wěn)定性系數(shù)隨著樁徑的增長快速增長，但當(dāng)樁徑小于0.4m時(shí)，路堤穩(wěn)定性系數(shù)增長速度明顯變緩。雖然本文僅將樁徑模擬到1.0m，但從趨勢來看，當(dāng)樁徑逐漸增大到樁與樁外邊界相接觸后，相當(dāng)于所有的軟弱土層都被水泥攪拌樁擠滿了，此時(shí)再增加樁徑，路堤穩(wěn)定性系數(shù)將不再增長。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，增加樁徑可以明顯控制總沉降量，且隨著樁徑增加，總沉降量的減小速率不斷降低，且逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 總沉降隨樁徑變化曲線圖

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，增加樁徑可以明顯控制工后沉降量，且隨著樁徑增加，工后沉降量的減小速率不斷降低，且樁徑增大至0.5m時(shí)趨于穩(wěn)定。

圖8 工后沉降隨樁徑變化曲線圖

3.3 水泥攪拌樁樁間距對路堤穩(wěn)定性的影響

同樣，本文通過PLAXIS 3D有限元軟件，模擬分析樁長、樁徑固定為12m和0.5m時(shí)，不同水泥攪拌樁間距對路堤穩(wěn)定性的影響，不同樁徑下路堤穩(wěn)定性系數(shù)、總沉降和工后沉降的變化趨勢如圖9—11所示。

圖9 穩(wěn)定系數(shù)隨樁間距變化曲線圖

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁間距逐漸增大時(shí)，路堤穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小，當(dāng)樁間距小于2m時(shí)，路堤穩(wěn)定性系數(shù)減小速率較緩，當(dāng)樁間距大于2m時(shí)，路堤穩(wěn)定性系數(shù)隨著樁間距增大而減小的速率明顯變快。

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，路堤總沉降量隨著水泥攪拌樁的樁間距增大而不斷增大，路堤總沉降量隨著水泥攪拌樁樁間距不斷增大，沉降量下降速率越來越小。

圖10 總沉降隨樁間距變化曲線圖

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁間距小于3m時(shí)，路堤工后沉降量隨著水泥攪拌樁的樁間距增大而在一個(gè)區(qū)間內(nèi)不斷震蕩，當(dāng)樁間距大于3m時(shí)，工后沉降量隨著水泥攪拌樁的樁間距增大而急速增長。

圖11 工后沉降隨樁間距變化曲線圖

4 結(jié)語

本文通過使用PLAXIS 3D有限元軟件對某實(shí)際鐵路工程的某典型斷面進(jìn)行了模擬分析，研究了水泥攪拌樁的樁長、樁徑和樁心間距對路堤穩(wěn)定性的加固作用，并分析了其影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)路堤的穩(wěn)定性系數(shù)隨著樁長增加而增大，總沉降量和工后沉降量隨著樁長增加而減小，但當(dāng)樁長增加到一定程度時(shí)，再增加樁長對路堤的穩(wěn)定性影響不大，尤其是當(dāng)樁身刺破軟弱土層，進(jìn)入砂土層后，單純增加樁長無法有效控制沉降量。

(2)隨著樁徑增加，路堤的穩(wěn)定性系數(shù)不斷增大，總沉降量不斷減小，但逐漸趨于穩(wěn)定，工后沉降雖然也隨著樁徑增加而減小，但當(dāng)樁徑大于0.5m時(shí)，增大樁徑對工后沉降幾乎沒有影響。

(3)隨著樁間距增加，路堤的穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小，總沉降量不斷增大，但逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)樁間距小于3m時(shí)，樁間距的增大對工后沉降的影響很小，但當(dāng)樁間距大于3m時(shí)，再增大樁間距，會(huì)明顯增加路堤的工后沉降。