軟土區(qū)水泥攪拌樁加固效果及工后沉降監(jiān)測研究

摘 要：為研究水泥攪拌樁復(fù)合地基對高速公路軟土路基的加固效果及影響因素，文章利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，計(jì)算分析了水泥攪拌樁復(fù)合地基加固前后地基的變形及工后沉降規(guī)律，并研究了樁長、樁間距和樁身模量對加固效果的影響，所得結(jié)論如下：（1）路基的沉降量隨著距路基中心的距離逐漸增大而減小，路堤底部水平位移隨著距路基中心距離的逐漸增大而增大，說明通過水泥攪拌樁對軟土地基進(jìn)行加固能有效地減小路基的沉降量和水平變形；（2）水泥攪拌樁復(fù)合路基頂面中心線位置的累計(jì)沉降量隨加載時間推移呈逐漸增大的趨勢，根據(jù)累計(jì)沉降量隨加載時間的變化速率不同，可將累計(jì)沉降量變化曲線分為快速增大、平穩(wěn)增加和保持穩(wěn)定三個階段；（3）路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁長增大、樁間距減小、樁身模量增大而逐漸減小。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁；軟土；加固效果；影響因素；數(shù)值計(jì)算

中圖分類號：U416.1

0"引言

我國國土面積遼闊，不同地區(qū)的地理環(huán)境和地質(zhì)條件具有較大差異，隨著我國高速公路建設(shè)的快速推進(jìn)，在工程建設(shè)過程中常會遇到各種問題。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在東部沿海地區(qū)修建高速鐵路最大的困難之一就是深厚軟土地基處理問題［1-2］，采取合適的工程措施進(jìn)行軟土路基加固對高速公路工程的安全性和耐久性至關(guān)重要。其中已有的相關(guān)規(guī)范已經(jīng)給出了常用的軟土路基加固方法，包括排水固結(jié)法、復(fù)合地基法（CFG樁、水泥攪拌樁等）、強(qiáng)夯法等［3］。

目前眾多學(xué)者對軟土地基的加固方法進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的研究成果。張秀勇等［4］依托大麗高速公路軟土路基處理實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型，對碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)加設(shè)碎石墊層可以顯著提高碎石樁復(fù)合地基對軟土的加固效果。李超［5］依托某軟土地基處理工程，采用水泥攪拌樁對軟土路基進(jìn)行加固，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究了水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載變形特性。沈琳［6］依托某賽道CFG復(fù)合地基工程，利用ANSYS軟件建立數(shù)值模型，采用正交試驗(yàn)方法研究了樁徑、樁長、樁間距、褥墊層厚度對CFG樁復(fù)合地基加固效果的影響。王寶泉等［7］依托某高速公路軟土地基水泥攪拌樁處理實(shí)際工程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到樁土沉降、樁體壓縮等數(shù)據(jù)，研究了水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降及孔壓消散規(guī)律。歐紅亮等［8］對水泥土攪拌樁的不同工法的加固機(jī)理、施工工藝進(jìn)行研究，明確不同工法的差異及適用條件，得出不同工法的施工效果并提出使用建議。

本文為研究水泥攪拌樁復(fù)合地基對高速公路軟土路基的加固效果及影響因素，依托深圳市某高速公路軟土路基處理實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，分析了加固前后地基的短期變形及工后沉降，并研究了樁長、樁間距和樁身模量對加固效果的影響。

1"數(shù)值模型的建立

本文依托深圳市某高速公路軟土路基處理工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算分析。該工程采用水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行軟土地基加固，施工區(qū)域地勢平坦，地下水埋深淺，距地表僅1 m，地層自上而下分別為路基填土（厚度為5 m）、種植土（厚度為2 m）、淤泥土（厚度為6 m）和淤泥質(zhì)黏土（厚度為12 m）。為提高計(jì)算效率，在建立數(shù)值模型時應(yīng)在符合工程實(shí)際情況的條件下對模型進(jìn)行簡化。由于實(shí)際工程中路基結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此在建立數(shù)值模型時以路基中線為對稱軸，建立右側(cè)的半模模型。為消除邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，對模型范圍進(jìn)行適當(dāng)放大，模型尺寸為30 m×10 m×25 m（長×寬×高），其中路基斷面平行于x軸，垂直于y軸，豎直方向?yàn)閦軸。水泥攪拌樁的樁長為15.0 m，樁直徑為0.5 m，樁間距為1.6 m，樁身彈性模量為2 000.0 MPa，泊松比為0.2。數(shù)值模型如圖1所示。

地基土體的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，水泥攪拌樁的本構(gòu)模型采用彈塑性模型。模型的邊界條件設(shè)置為：模型頂面為自由邊界，模型底面施加水平和豎直方向的約束，限制其豎向和水平方向的位移；模型側(cè)面施加垂直側(cè)面的約束，限制側(cè)面的法向位移。數(shù)值模型的巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示，其中地下水位以下的巖土體重度取值為飽和重度，結(jié)構(gòu)單元參數(shù)取值如表2所示。

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時，先將路堤填土單元進(jìn)行空模型處理和地應(yīng)力平衡計(jì)算，得到初始地應(yīng)力場，然后再模擬路基填筑過程。在模擬路基填筑時，逐級激活路基填土的命令流，每填筑一級路基進(jìn)行一次地應(yīng)力平衡計(jì)算，直至填筑完成，每次填土高度為1.0 m。

2"數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1"數(shù)值計(jì)算可靠性分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場進(jìn)行的水泥攪拌樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果，得到數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的樁體沉降與荷載關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2"樁體沉降與荷載關(guān)系曲線圖

由圖2可知，根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行的水泥攪拌樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果，得到在施加160 kN荷載的情況下監(jiān)測到最終沉降值為35.2 mm，數(shù)值模擬計(jì)算的最終沉降值為36.7 mm，且隨著施加荷載的逐漸增大，數(shù)值模擬計(jì)算的沉降值先略小于現(xiàn)場單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果；當(dāng)荷載＞128 kN時，數(shù)值模擬計(jì)算的沉降值略大于現(xiàn)場單樁靜載試驗(yàn)結(jié)果。整體上看，數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的樁體沉降與荷載關(guān)系曲線基本一致，說明該數(shù)值模擬的結(jié)果具有可靠性。

2.2"路基變形分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到軟土地基和水泥攪拌樁復(fù)合地基的路基頂部的沉降及路堤底部的水平位移，如圖3所示。

如圖3所示，路基中心線位置的豎向沉降量大于路肩位置的沉降量，路基的沉降量隨著距路基中心的距離逐漸增大而減小。在未處理軟土地基的工況下，路基頂部中心位置的沉值為235.6 mm，在水泥攪拌樁復(fù)合地基工況下，路基頂部中心位置的沉降為36.7 mm，減小了84.4%。路堤底部水平位移隨著距路基中心距離的逐漸增大而增大。在未處理軟土地基的工況下，路堤底部邊緣位置的水平位移為59.9 mm，在水泥攪拌樁復(fù)合地基工況下，路堤底部邊緣位置的水平位移為16.8 cm，減小了71.9%。上述結(jié)果表明，通過水泥攪拌樁對軟土地基進(jìn)行加固處理能有效地減小路基的沉降量和水平變形。

2.3"路基工后沉降分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到水泥攪拌樁復(fù)合地基中心線頂部隨加載時間變化的累計(jì)沉降量變化曲線如圖4所示。

如圖4所示，水泥攪拌樁復(fù)合地基中心線頂部位置的累計(jì)沉降量隨著加載時間的推移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。根據(jù)累計(jì)沉降量隨加載時間的變化速率不同，可將累計(jì)沉降量變化曲線分為3段：

（1）在填筑完成的50 d內(nèi)，路基累計(jì)沉降量的速率最大，表現(xiàn)為該段曲線較陡。該階段累計(jì)沉降量達(dá)到70.9 mm，達(dá)到總累計(jì)沉降的57.4%。

（2）在填筑完成的205 d內(nèi)，由于軟土地基在外力作用下超靜孔隙水壓力無法在短時間內(nèi)完全消散，隨著時間推移，路基累計(jì)沉降量還在進(jìn)一步增加，但沉降增大速率明顯減小。該階段累計(jì)沉降量達(dá)到115.3 mm，達(dá)到總累計(jì)沉降的 93.3%。

（3）在填筑完成的300 d內(nèi)，路基的累計(jì)沉降基本保持穩(wěn)定，軟土地基的超靜孔隙水壓力基本已完全消散。該階段的沉降主要以次固結(jié)沉降為主，累計(jì)沉降量已接近于總沉降量，為123.6 mm。

3"水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降影響因素分析

3.1"樁長對復(fù)合地基加固效果的影響

為研究樁長對復(fù)合地基加固效果的影響，設(shè)置樁長為13 m、15 m、17 m、19 m的4個工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到不同樁長下的復(fù)合地基豎向沉降情況如圖5所示。

由圖5可知，路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁長的增大而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。當(dāng)樁長為13 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為41.5 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為15.9 mm；當(dāng)樁長為19 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為27.1 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為7.5 mm。當(dāng)樁長由13 m增大到19 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了34.7%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了52.8%。隨著樁長的逐漸增大，水泥攪拌樁對控制路基沉降的效果逐漸增強(qiáng)，說明增加樁長可以很好地提升復(fù)合地基的加固效果。

3.2"樁間距對復(fù)合地基加固效果的影響

為研究樁間距對復(fù)合地基加固效果的影響，設(shè)置樁間距為1.8 m、1.6 m、1.4 m、1.2 m 的4個計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到不同樁間距下的復(fù)合地基豎向沉降曲線如圖6所示。

由圖6可知，路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁間距的減小而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。當(dāng)樁間距為1.8 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為43.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為17.1 mm；當(dāng)樁間距為1.6 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為36.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為13.1 mm。當(dāng)樁間距由1.8 m減小到1.6 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了16.0%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了23.4%。當(dāng)樁間距為1.2 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為32.2 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為11.1 mm。當(dāng)樁間距由1.6 m減小到1.2 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了12.3%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了15.3%。綜上，隨著樁間距的逐漸減小，水泥攪拌樁對控制路基沉降的效果逐漸增強(qiáng)，但在減小相同的樁間距時，對減小路基沉降的效果逐漸減弱，說明在樁間距處于合適的范圍內(nèi)可通過減小樁間距提升復(fù)合地基的加固效果，但當(dāng)水泥攪拌樁樁間距較小時，不應(yīng)繼續(xù)考慮通過減小樁間距來提升復(fù)合地基的加固效果。

3.3"樁身模量對復(fù)合地基加固效果的影響

為研究樁身模量對復(fù)合地基加固效果的影響，設(shè)置樁身模量為400 MPa、500 MPa、600 MPa、700 MPa 的4個計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到不同樁身模量下的復(fù)合地基豎向沉降如圖7所示。

由圖7可知，路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁身模量的增大而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。當(dāng)樁身模量為400 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值為40.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為15.1 mm；當(dāng)樁身模量為500 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值為36.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為13.1 mm。當(dāng)樁身模量由400 MPa增大到500 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了9.8%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了26.5%。當(dāng)樁身模量為700 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值為33.6 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為12.5 mm。當(dāng)樁身模量由500 MPa增大到700 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了8.4%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了4.8%。綜上，水泥攪拌樁對控制路基沉降的效果隨樁身模量的逐漸增大而增強(qiáng)，但隨著相同樁身模量增大，對減小路基沉降的效果逐漸減弱，說明在樁身模量處于合適的范圍內(nèi)時可通過增大樁身模量提升復(fù)合地基的加固效果，但當(dāng)水泥攪拌樁樁身模量較大時，不應(yīng)繼續(xù)考慮通過減小樁間距來提升復(fù)合地基的加固效果。

4"結(jié)語

（1）路基的沉降量隨著距路基中心的距離逐漸增大而減小，路堤底部水平位移隨著距路基中心距離的逐漸增大而增大。

（2）水泥攪拌樁復(fù)合地基加固后，路基頂部中心位置的沉降值減小了84.4%，路堤底部邊緣位置的水平位移減小了71.9%，這說明通過水泥攪拌樁對軟土地基進(jìn)行加固處理能有效地減小路基的沉降量和水平變形。

（3）水泥攪拌樁復(fù)合路基頂面中心線位置的累計(jì)沉降量隨加載時間推移呈逐漸增大的趨勢。根據(jù)累計(jì)沉降量隨加載時間的變化速率不同，可將累計(jì)沉降量變化曲線分為快速增大、平穩(wěn)增加和保持穩(wěn)定3個階段。

（4）路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁長增大、樁間距減小、樁身模量增大而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。

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