基于有限元的水泥攪拌樁加固軟土路基效果研究

摘要：為研究水泥攪拌樁加固軟土路基的效果，文章基于有限元方法，利用PLAXIS軟件建立二維數(shù)值模型，對(duì)不同水泥攪拌樁樁體參數(shù)變化下的軟土地基沉降進(jìn)行分析，并得出相關(guān)結(jié)論：A-D點(diǎn)的沉降變化規(guī)律基本一致，沿著水平面從左至右，豎向位移依次減小，隨著累計(jì)時(shí)間的增加，豎向總位移不斷增大，最大水平位移出現(xiàn)在邊坡頂端處；水泥攪拌樁處理后軟土地基的沉降量顯著減小，提高了地基承載力及穩(wěn)定性；水泥攪拌樁的剛度、樁長(zhǎng)、樁間距的變化均會(huì)對(duì)地基沉降量造成影響。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁；軟土路基；有限元；沉降

中文分類號(hào)：U416.1+1A150464

0引言

隨著“十四五”規(guī)劃以及“一帶一路”倡議的實(shí)施，我國(guó)交通工程的建設(shè)在穩(wěn)固推進(jìn)，高速公路的總里程數(shù)迅速增加，已經(jīng)形成一個(gè)較為系統(tǒng)的高速公路網(wǎng)。截至目前，我國(guó)高速公路總里程高達(dá)15×104 km，投資額將近12 000億元。江蘇、福建、廣東等廣泛分布軟土的地區(qū)，處理深厚軟土區(qū)地基是高速公路修建過(guò)程中的重難點(diǎn)。為保障高速公路修建工作的順利推進(jìn)，研究水泥攪拌樁對(duì)軟土路基的加固效果尤為關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速公路軟土路基進(jìn)行了大量研究。Jie Han等［1］基于有限元數(shù)值模擬軟件PLAXIS對(duì)新老路基的沉降特性以及水平變形規(guī)律進(jìn)行研究。Werasak Raongjant等［2］研究了水泥樁在受到橫向荷載作用時(shí)的力學(xué)響應(yīng)特征以及破壞特性，提出H鋼的使用增強(qiáng)了樁側(cè)承載力以及延性。李文強(qiáng)等［3］利用ABAQUS軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分析軟土路基施工對(duì)臨近管線的影響，研究表明與坡腳的距離不同，管線的變形以及采用的保護(hù)措施也不同。宋旭明等［4］以江蘇南沿江城際鐵路白茆河特大橋工程為例，將現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，得出了m值的變化特征，隨著承臺(tái)位移的增加，m值不斷降低，兩者曲線呈冪函數(shù)的變化。柏楊等［5］對(duì)水泥攪拌樁加固效果進(jìn)行分析，得出了河道工程中軟土地基的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)基于瑞典條分法和簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)河道邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。劉智等［6］以珠海深厚軟土區(qū)工程為例，通過(guò)多種預(yù)測(cè)方法對(duì)軟土路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明對(duì)數(shù)法gt;雙曲線法gt;指數(shù)法gt;星野法，同時(shí)通過(guò)對(duì)比工程實(shí)際沉降情況，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)法預(yù)測(cè)更符合工程實(shí)際。劉超［7］對(duì)軟土地區(qū)典型地層預(yù)制樁進(jìn)行優(yōu)化，提出合理的樁型以及其余設(shè)計(jì)參數(shù)，在科學(xué)、安全的前提下節(jié)約成本。盧蘭萍等［8］基于Midas GTS軟件，研究了水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基對(duì)于軟基的加固效果，結(jié)果表明CFG樁加固后地基沉降量較天然地基減小了13.6 cm。

然而，上述研究主要集中于軟土地基變形沉降等方面，較少涉及水泥攪拌樁加固軟土路基的效果評(píng)價(jià)［9-10］。因此，本文在前人對(duì)軟土地基研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮水泥攪拌樁的加固效果，通過(guò)PLAXIS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)水泥攪拌樁加固軟土路基的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)復(fù)合地基沉降變形影響因素進(jìn)行分析。該研究可為軟土地區(qū)高速公路的修建提供借鑒。

1工程背景

1.1工程概況

本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目位于深圳至岑溪高速公路路段，該路段是國(guó)家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，路線全長(zhǎng)40.05 km，主線為雙向四車道。通過(guò)實(shí)地鉆孔可知，該地區(qū)主要分布有素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)類土、礫砂、圓礫等。

1.2軟土危害

軟土廣泛分布于我國(guó)東南沿海地區(qū)，根據(jù)成因分為五類：濱海型、河灘型、谷底型、長(zhǎng)期浸泡型、湖泊型。軟土具有高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度、低透水性，同時(shí)由于高速公路具有分布范圍廣、施工技術(shù)難度較大、結(jié)構(gòu)多為條形等特點(diǎn)，不可避免地經(jīng)過(guò)軟土區(qū)時(shí)必須對(duì)軟土路基進(jìn)行處理。圖1所示為軟土地基主要存在的問(wèn)題。

2有限元模型的建立

2.1PLAXIS軟件介紹

PLAXIS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問(wèn)題時(shí)具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，比如軟件可以提供大量巖土材料常用的本構(gòu)模型，

同時(shí)還可以對(duì)振動(dòng)荷載下建筑物的力學(xué)特征、基坑開挖支護(hù)、隧道掘進(jìn)等進(jìn)行模擬分析，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡(jiǎn)便等。其工作流程如圖2所示。

針對(duì)該工程，PLAXIS軟件具有下列應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

（1）可提供路堤填筑過(guò)程中的土體硬化本構(gòu)模型。

（2）可以模擬填筑過(guò)程中路堤固結(jié)（分階段施工）。

（3）可以模擬軟土地基中地下水的滲流特性。

（4）具有強(qiáng)大的前處理與后處理功能。

2.2本構(gòu)關(guān)系

2.2.1土體本構(gòu)模型

由于土體只考慮臨界條件下的破壞模式，因此土體選用彈塑性理論模型；巖-土材料則選用較為常規(guī)的摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。

2.2.2水泥攪拌樁本構(gòu)模型

水泥攪拌樁為3D模型，本文采用的是PLAXIS 2D有限元數(shù)值模擬軟件，因此要對(duì)樁模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，用板模型替代樁模型。水泥攪拌樁主要是通過(guò)影響樁-土作用力，提高樁體剛度、支撐上部荷載以加固土體，進(jìn)而達(dá)到良好的治理效果。

2.3細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

細(xì)觀參數(shù)的確定影響著數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此如何確定數(shù)值模擬中的細(xì)觀參數(shù)極為關(guān)鍵。同時(shí)，由于PLAXIS軟件并未給出細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系表達(dá)式，因此本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范、高速公路設(shè)計(jì)資料和工程地質(zhì)手冊(cè)，得到相應(yīng)力學(xué)參數(shù)取值，如表1、表2所示。

2.4模型的建立

根據(jù)實(shí)際勘察資料將軟土地基分為種植土（2 m）、淤泥（6 m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（10 m）。地下水位位于水平面下1 m。水泥攪拌樁樁長(zhǎng)為15 m，樁間距為1.2 m。模型邊界采用靜力條件約束，在模型水平兩側(cè)以及模型底部施加約束。如圖3所示。

2.5分階段施工

該試驗(yàn)路段地基土多為淤泥質(zhì)土，孔隙水處于飽和狀態(tài)，因此可忽略地下水滲流對(duì)工程的影響。由于路堤的填筑過(guò)程需分階段進(jìn)行，將初始階段定為樁施工后14 d，每一個(gè)施工段的填筑部位嚴(yán)格按照施工記錄設(shè)定，再根據(jù)程序?qū)ζ溥M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)而將路堤填筑過(guò)程分為多階段。

3路堤填筑位移及穩(wěn)定性分析

通過(guò)PLAXIS軟件對(duì)水泥攪拌樁加固軟土路基后路堤填筑的水平位移、豎向位移變化以及水泥攪拌樁處理前后的地基沉降進(jìn)行分析。

3.1豎向位移

利用PLAXIS軟件對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行仿真模擬，如下頁(yè)圖4所示為路堤填筑工后豎向沉降變形規(guī)律。

由圖4可知，地基最大沉降量約為163.2 mm，豎向位移較小，呈階梯狀分布，沿著坡腳向下，其沉降的豎向位移不斷減小。

A～D點(diǎn)的沉降變化規(guī)律基本一致，沿著水平面從左至右，豎向位移依次減小，隨著累計(jì)時(shí)間的增加，豎向總位移不斷增大。但4個(gè)點(diǎn)位的沉降值差異較大，A點(diǎn)與D點(diǎn)相差將近55 mm，這說(shuō)明工程中地基會(huì)發(fā)生不均勻沉降，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮該現(xiàn)象，避免不均勻沉降的發(fā)生。

3.2水平位移

水平位移最大為24.9 mm，最大位移發(fā)生在路堤邊坡頂端，與實(shí)測(cè)值較為接近，說(shuō)明采用PLAXIS軟件模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.3穩(wěn)定性分析

如圖5所示為采用水泥攪拌樁處理后地基的沉降量以及未經(jīng)水泥攪拌樁處理的地基沉降量對(duì)比曲線。

由圖5可知，經(jīng)水泥攪拌樁處理過(guò)的復(fù)合地基沉降量明顯小于未處理時(shí)的地基沉降量，經(jīng)處理后的地基沉降量?jī)H為原始沉降的1/2，說(shuō)明水泥攪拌樁有效提高了地基承載能力。

同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在填筑初期兩者沉降差距較小，但隨著累計(jì)時(shí)間的增加，原始地基沉降顯著增加，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是本次工點(diǎn)所處位置地基軟土多為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，承載力與穩(wěn)定性均較差，前期由于兩種地基發(fā)生固結(jié)沉降，因此兩者前期沉降較為接近，后期原始地基受上部荷載作用發(fā)生整體下沉，而處理后地基由于水泥攪拌樁的作用下沉幅度較小。故利用水泥攪拌樁處理后，地基承載力與穩(wěn)定性明顯提高。

4地基沉降影響因素分析

由前文可知，水泥攪拌樁處理軟土地基后，地基承載能力顯著提高。為保證工程的經(jīng)濟(jì)效益，需研究水泥攪拌樁加固地基的根本原因。本節(jié)采用剛度、樁長(zhǎng)、樁間距三個(gè)控制變量對(duì)水泥攪拌樁進(jìn)行研究，探究其提高地基承載力的情況。表3所示為自變量取值。

4.1剛度

為研究水泥攪拌樁的剛度對(duì)地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過(guò)改變水泥攪拌樁的剛度，研究不同剛度不同位置下復(fù)合地基的沉降變形情況，如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)水泥攪拌樁剛度恒定時(shí)，離中心線距離越大，復(fù)合地基沉降量逐漸減??；在同一位置時(shí)，隨著樁的剛度增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。當(dāng)剛度為0.8 MPa時(shí)，地基沉降最大值為173.8 mm；當(dāng)剛度為1.0 MPa時(shí)，地基沉降最大值為165.4 mm；當(dāng)剛度為1.2 MPa時(shí)，地基沉降最大值為159.6 mm。由此可見(jiàn)，在某一區(qū)間內(nèi)，水泥攪拌樁剛度的變化無(wú)法顯著提高地基承載力。

4.2樁長(zhǎng)

為研究水泥攪拌樁的樁長(zhǎng)對(duì)地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過(guò)改變水泥攪拌樁的樁長(zhǎng)，研究不同樁長(zhǎng)不同位置下復(fù)合地基的沉降變形情況，如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)水泥攪拌樁樁長(zhǎng)恒定時(shí)，離中心線距離越大，復(fù)合地基沉降量越?。辉谕晃恢脮r(shí)，隨著樁的樁長(zhǎng)增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。樁長(zhǎng)為15 m時(shí)，其最大沉降量為158.7 mm；當(dāng)樁長(zhǎng)為12 m，其最大沉降量為237.6 mm，兩者的沉降量差值為78.9 mm，差距較大。出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于水泥攪拌樁與淤泥土之間的摩阻力較小，難以承受上部荷載作用，15 m與12 m水泥攪拌樁的沉降差值＞50％，而15 m與18 m水泥攪拌樁的沉降差值只有12％，雖然18 m的水泥攪拌樁控制沉降效果更好，但經(jīng)濟(jì)效益較低，因此從適用性及經(jīng)濟(jì)性分析，選用15 m的水泥攪拌樁更適合該實(shí)際工程。

4.3樁間距

為研究水泥攪拌樁的樁間距對(duì)地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過(guò)改變水泥攪拌樁的樁間距，研究不同樁間距不同位置下復(fù)合地基的沉降變形情況，如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)水泥攪拌樁樁間距恒定時(shí)，離中心線距離越大，復(fù)合地基沉降量越?。辉谕晃恢脮r(shí)，隨著樁的樁間距增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。當(dāng)樁間距為0.9 m時(shí)，最大沉降量為164.5 mm；當(dāng)樁間距為1.2 m時(shí)，最大沉降量為158.9 mm；當(dāng)樁間距為1.5 m時(shí)，最大沉降量為153.8 mm。而通常情況下，樁間距越大，地基沉降量越大，出現(xiàn)該特殊情況是由于樁身與土體相互作用的結(jié)果，隨著樁間距的增加，樁土應(yīng)力比在逐漸減小，樁間土發(fā)揮的作用越大，其地基沉降量就越小，反之其沉降量就越大。

但樁間距并不是越大越好，當(dāng)樁間距處于某一區(qū)間時(shí)，由于樁土作用的充分發(fā)揮，其沉降值較小，若超出該區(qū)間，水泥攪拌樁可能無(wú)法充分發(fā)揮作用，使沉降量增大，因此選用合適的樁間距十分關(guān)鍵。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水泥攪拌樁加固軟土路基效果進(jìn)行研究，采用PLAXIS軟件，分析不同工況下路堤填筑后地基的沉降規(guī)律，以及不同水泥攪拌樁樁體參數(shù)變化對(duì)地基承載力的影響，該研究為今后高速公路軟土路基的建設(shè)提供了相應(yīng)參考。

主要結(jié)論如下：

（1）經(jīng)水泥攪拌樁處理過(guò)的復(fù)合地基沉降量明顯小于未處理時(shí)的地基沉降量，經(jīng)處理后的地基沉降量?jī)H為原始沉降量的1/2。

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基的承載力與穩(wěn)定性較差，地基前期會(huì)出現(xiàn)固結(jié)沉降現(xiàn)象。

（3）水泥攪拌樁的剛度、樁長(zhǎng)、樁間距的變化均會(huì)對(duì)地基沉降量造成影響，樁間距的增大會(huì)使沉降量增大，主要是由于樁土應(yīng)力比增大，樁間土發(fā)揮的作用減小，進(jìn)而使地基沉降量增大。

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作者簡(jiǎn)介：龐輝（1987—），工程師，主要從事公路行業(yè)設(shè)計(jì)工作。