水泥攪拌樁復(fù)合地基處理方法在市政道路工程中的應(yīng)用研究

摘 要：為研究水泥攪拌樁復(fù)合地基處理方法在市政道路工程中的應(yīng)用，文章以南寧市某市政項(xiàng)目道路工程不良地質(zhì)軟基處理為例，通過(guò)有限元軟件ABAQUS研究了路基全周期的沉降變化規(guī)律以及水泥攪拌樁在不同荷載下的受力情況，分析了不同樁長(zhǎng)與樁徑對(duì)復(fù)合地基承載能力的影響。結(jié)果表明：路基的固結(jié)沉降主要發(fā)生在施工階段的填筑期；水泥攪拌樁的軸力隨著深度的增加而逐漸減小，側(cè)阻力隨著荷載的增大而增大；選擇合適的樁長(zhǎng)與樁徑能夠有效地提高復(fù)合地基的承載能力。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁；復(fù)合地基；ABAQUS有限元軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1A150494

0"引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)以及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，眾多城市道路在施工過(guò)程中往往會(huì)穿過(guò)一些不良地質(zhì)軟土地區(qū)，該類(lèi)地區(qū)對(duì)路基的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大的危害。為此，需要設(shè)計(jì)合理的方法來(lái)加固天然地基。目前，采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固有較好的效果。水泥攪拌樁的加固方式有成本低、工期短、對(duì)周邊建筑影響小以及造成的污染小等優(yōu)點(diǎn)，適用于在建筑密集的市區(qū)進(jìn)行施工［1-3］，在我國(guó)主要被用于復(fù)合地基的形成。因此，研究水泥攪拌樁復(fù)合地基的應(yīng)用十分必要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基展開(kāi)了大量的研究。Shi J Y等［4］將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，采用Mindin的應(yīng)力解方式，綜合分析了水泥攪拌樁身和周邊土的應(yīng)變特征，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用有限元方法在各種工況下的結(jié)果均大于現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)值。Zeng Y J等［5］對(duì)水泥攪拌樁的有效樁長(zhǎng)影響因素展開(kāi)了研究，通過(guò)改變水泥樁的泊松比、長(zhǎng)度以及剛度，來(lái)觀察樁的沉降值的改變，結(jié)果表明水泥攪拌樁的有效樁長(zhǎng)受泊松比的影響較小，其余影響因素影響較大。周?chē)?guó)均等［6］針對(duì)水泥攪拌樁的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，首次提出了改變水泥的摻入比提升樁的強(qiáng)度，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明在施工初期，水泥的養(yǎng)護(hù)周期越長(zhǎng)，樁的抗壓強(qiáng)度也越大；當(dāng)水泥的養(yǎng)護(hù)周期達(dá)90 d后，水泥的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度會(huì)逐漸減小并呈負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此需要在此期間確定一個(gè)最佳的摻入比以保證水泥的強(qiáng)度達(dá)到最大。鄭剛等［7］對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載性能方面展開(kāi)了深入的研究，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥攪拌樁的承載性能受樁長(zhǎng)的影響較小，樁的長(zhǎng)度主要發(fā)揮控制其變形的作用。Ni P等［8］構(gòu)建了一種可以捕捉地基破壞的數(shù)值模型，并針對(duì)水泥會(huì)應(yīng)變軟化的特性，對(duì)不同地質(zhì)條件下復(fù)合地基的破壞形式進(jìn)行了分析，結(jié)果表明地基的回填土種類(lèi)不同，其破壞形式也不同，且土體的破壞在水泥樁的破壞之前發(fā)生。劉方等［9］通過(guò)ADINA軟件分析了不同類(lèi)型的水泥攪拌樁對(duì)復(fù)合地基的加固效果，結(jié)果表明方形水泥攪拌樁對(duì)地基承載力以及沉降的加固效果要優(yōu)于圓形樁。

上述學(xué)者的研究主要集中于水泥攪拌樁復(fù)合地基的施工機(jī)理，但與施工實(shí)際情況仍有一定的差距，因此本文以南寧市某市政項(xiàng)目道路工程不良地質(zhì)軟基處理為例，通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行了水泥攪拌樁復(fù)合地基路段全過(guò)程的沉降模擬，分析了在豎向荷載作用下不同影響因素對(duì)復(fù)合地基沉降的影響。

1"有限元模型的建立

1.1"工程概況

該工程位于南寧市青秀區(qū)仙葫片區(qū)，路線全長(zhǎng)約2.1 km，道路沿線地形屬丘陵地貌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告及室內(nèi)試驗(yàn)，研究區(qū)的地層巖性主要由粉土、軟塑粉質(zhì)黏土、流塑粉質(zhì)黏土以及流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成。該區(qū)域的地下水位較高，導(dǎo)致軟土飽和度高，具有可塑性強(qiáng)和強(qiáng)度低等特點(diǎn)。在基坑工程開(kāi)挖時(shí)，地層容易受到開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，穩(wěn)定性較差，土體會(huì)產(chǎn)生大量流變以及垮塌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響基坑的安全穩(wěn)定性。

1.2"模型的建立

本文通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，其建模過(guò)程如圖1所示。

本軟土地基模型數(shù)值分析的彈性模型選用線彈性模型，塑性模型選用Mohr-Coulomb模型。路堤填土及地基土的力學(xué)參數(shù)及力學(xué)指標(biāo)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告以及室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行確定。如表1所示為巖土體力學(xué)參數(shù)及力學(xué)指標(biāo)。

模型的地基寬度取80 m，深度取20 m，路基斷面寬度為40 m，坡度比為1∶1.5，路堤高度為4 m，每層高1 m。在軟土層打入水泥攪拌樁，樁的彈性模量取125 MPa，泊松比為0.3，樁長(zhǎng)8 m，樁徑0.5 m，每根樁的間距取1.5 m。模型如圖2所示。

為更真實(shí)地模擬路堤及路面的施工過(guò)程，在各個(gè)層面的施工都建立了兩個(gè)固結(jié)分析步，在施工完成后，繼續(xù)建立軟土地基固結(jié)15年的分析步。

2"水泥攪拌樁復(fù)合地基數(shù)值模擬分析

2.1"路基豎向位移分析

如圖3、圖4所示為水泥攪拌樁復(fù)合地基從施工階段至運(yùn)營(yíng)15年的沉降曲線。

由圖3～4可知：

（1）路基的整體沉降隨著時(shí)間逐漸增大，且施工階段的沉降遠(yuǎn)大于運(yùn)營(yíng)階段的沉降，說(shuō)明路基在軟土地區(qū)的沉降主要集中于施工階段。路基的沉降增長(zhǎng)幅度隨著距離的增加而逐漸減小，表明水泥攪拌樁發(fā)揮了較好的平緩沉降作用。

（2）在施工階段，地基的沉降值為25.4 cm，約占總體的50%，而地基在施工預(yù)壓期所產(chǎn)生的沉降為12.74 cm，小于其在施工階段填筑期的18.23 cm，表明地基在施工階段發(fā)生沉降的主要原因是路基在填筑期所增加的自重荷載。因此，為了盡量減小路基在施工階段結(jié)束后所產(chǎn)生的沉降，需要制定較為合理的預(yù)壓方案，以避免道路路面在服役期間所產(chǎn)生的縱向不均勻沉降。在運(yùn)營(yíng)階段，地基在施工階段結(jié)束2年內(nèi)所產(chǎn)生的沉降占全運(yùn)營(yíng)時(shí)期（15年）的64.2%，說(shuō)明地基土的固結(jié)沉降主要集中于施工結(jié)束后的前2年。

（3）地基與路基在填筑期所產(chǎn)生的差異沉降分別為12.75 cm、1.87 cm，在預(yù)壓期產(chǎn)生的差異沉降分別為17.89 cm、2.76 cm，表明地基與路基在施工階段所產(chǎn)生的差異沉降主要在預(yù)壓期。在施工結(jié)束后，二者的差異沉降呈小幅度增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在運(yùn)營(yíng)期第2年的差異沉降分別為18.14 cm、2.99 cm，隨后增長(zhǎng)幅度趨近于0，表明地基的超載預(yù)壓可以較好地降低路基在運(yùn)營(yíng)期間所產(chǎn)生的差異沉降。

2.2"路基水平位移分析

如圖5所示為路基坡腳下不同深度的水平位移與時(shí)間關(guān)系曲線。

由圖5可知，路基的水平位移主要發(fā)生在填筑時(shí)期，占總位移約74%，而在運(yùn)營(yíng)期其水平位移增長(zhǎng)較小。在施工結(jié)束1年后，地基水平位移在距離地表深度4.3 m處出現(xiàn)極值14.25 cm，距離地表12～19 m處地基的水平位移向內(nèi)側(cè)發(fā)生了較小的回彈現(xiàn)象。這是因?yàn)榈鼗敳亢奢d增加，加速了地基深處土體的固結(jié)速度，導(dǎo)致孔隙水壓逐漸降低，進(jìn)而使土體在水平方向的受力發(fā)生變化，土體向內(nèi)側(cè)回彈。此外，路基邊坡處在運(yùn)營(yíng)至15年時(shí)所產(chǎn)生的最大水平位移為2.15 cm，與坡腳處地基的最大水平位移14.28 cm相差較大，表明路基邊坡的穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于坡腳處的地基。

2.3"樁身軸力分析

如圖6所示為水泥攪拌樁在不同豎向荷載下軸力與樁身深度關(guān)系曲線圖。

由圖6可知，水泥攪拌樁的軸力隨著深度的增加而逐漸減小，這是因?yàn)殡S著深度增加，樁身與土體的接觸面積也隨之增加，二者的摩擦力增加，導(dǎo)致樁身的軸力降低，而上部產(chǎn)生的軸力大于下部的，使軸力曲線呈非線性變化。當(dāng)豎向荷載在較小的46～92 kPa時(shí)，曲線變化幅度較陡，這是因?yàn)闃渡碓诤奢d較小的情況下所受的摩阻力較小，應(yīng)力在樁體內(nèi)部隨著深度的衰減速度較快；當(dāng)豎向荷載＞138 kPa時(shí)，隨著荷載逐漸增大，曲線的變化幅度逐漸變緩，說(shuō)明樁身所受的軸力逐漸傳遞到底部，與小荷載階段相比，樁身承受的荷載比例更大。這是因?yàn)樵诩虞d階段初期，樁頂受到荷載作用，發(fā)生了沉降，樁側(cè)的摩阻力開(kāi)始增大，承擔(dān)了大部分的荷載，而隨著荷載的增大，水泥攪拌樁的沉降也隨之增加，樁側(cè)此時(shí)所受到的摩阻力已與施加的荷載相差較大，無(wú)法承受持續(xù)增長(zhǎng)的荷載，從而使樁身承受更多的荷載，因此樁體的軸力所占比例增大。

2.4"樁身側(cè)阻力分析

如圖7所示為水泥攪拌樁在不同豎向荷載下，樁身深度與側(cè)阻力的關(guān)系曲線。

由圖7可知，豎向荷載對(duì)樁身的側(cè)阻力的影響很大，在豎向荷載加載到368 kPa之前，樁身的側(cè)阻力隨著荷載的增加而增加，在46～92 kPa荷載較小的階段，側(cè)阻力主要集中于樁身的上部，隨著荷載增加，應(yīng)力在樁身內(nèi)部隨著深度的衰減速率逐漸減小，使樁身下部的側(cè)阻力逐漸增大，因此上下兩部分的側(cè)阻力不在同一時(shí)間發(fā)揮作用，樁身上部的側(cè)阻力較下部先發(fā)揮作用。當(dāng)豎向荷載加載到368 kPa時(shí)，樁身上部的側(cè)阻力已達(dá)到最大值，而下部側(cè)阻力還未完全發(fā)揮作用，曲線上下部分的差異較大，由此可知持續(xù)增加荷載可以促進(jìn)樁身下部側(cè)阻力更好地承擔(dān)上部傳遞的荷載。

3"復(fù)合地基影響因素分析

3.1"樁長(zhǎng)

本節(jié)通過(guò)ABAQUS軟件選取樁長(zhǎng)分別為6 m、8 m、10 m的水泥攪拌樁，分析樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基的影響規(guī)律。

3.1.1"樁頂沉降分析

如圖8所示為不同樁長(zhǎng)水泥攪拌樁在豎向荷載為368 kPa下的樁頂沉降曲線。

由圖8可知，樁長(zhǎng)從6 m增長(zhǎng)到10 m，樁頂?shù)某两抵饾u減小，在相同豎向荷載（368 kPa）的情況下樁長(zhǎng)增長(zhǎng)1.5倍，沉降量減少了約50%，這是因?yàn)闃渡淼拈L(zhǎng)度增加，樁身與土體的接觸面積增加，樁側(cè)阻力也隨之增加，進(jìn)而增強(qiáng)了水泥攪拌樁的承載能力。當(dāng)樁長(zhǎng)從8 m增長(zhǎng)到10 m時(shí)，其沉降量的減少并不明顯，分析其原因?yàn)楫?dāng)樁長(zhǎng)增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，其樁身所接觸的土層質(zhì)量發(fā)生變化，深層土體的質(zhì)量較高，其樁側(cè)和端部的阻力能較好地承受荷載，導(dǎo)致提升效果不明顯。因此，在優(yōu)化樁長(zhǎng)時(shí)要選擇合適的長(zhǎng)度，避免材料浪費(fèi)，以降低施工成本。

3.1.2"樁身軸力分析

如圖9所示為不同樁長(zhǎng)的水泥攪拌樁在豎向荷載為368 kPa下的樁身軸力分布曲線。

由圖9可知，當(dāng)樁長(zhǎng)為6 m時(shí)，樁身的軸力與深度呈近似線性關(guān)系，而當(dāng)樁長(zhǎng)從6 m增長(zhǎng)到8 m時(shí)，不僅樁身的軸力變大，其與深度的關(guān)系轉(zhuǎn)為非線性，在上部的軸力變化速率明顯小于下部的變化速率，曲線在深部發(fā)生較明顯的突變。這因?yàn)樵谳^大的豎向荷載（368 kPa）下，樁體下部的側(cè)阻力發(fā)揮作用速度較快，隨著長(zhǎng)度增加，下部側(cè)阻力發(fā)揮效果更明顯。

在相同豎向荷載作用下，樁長(zhǎng)從6 m增至10 m時(shí)，樁身的軸力由較小的320 kPa增長(zhǎng)到了362 kPa，這是因?yàn)殡S著樁長(zhǎng)的增加，樁身的承載能力大幅度提升，樁體會(huì)承擔(dān)上部路基的大部分壓力，使樁身軸力增加。樁身的軸力越大，水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載能力也越強(qiáng)。

3.2"樁徑

本節(jié)通過(guò)ABAQUS軟件選取樁徑分別為0.4 m、0.5 m、0.6 m以及0.7 m的水泥攪拌樁，分析樁徑對(duì)復(fù)合地基的影響規(guī)律。

3.2.1"樁頂沉降分析

如圖10所示為不同樁徑水泥攪拌樁在豎向荷載為368 kPa下的樁頂沉降曲線。

由圖10可知，在相同豎向荷載下，隨著樁徑增加，水泥攪拌樁的承載能力隨之提升，地基的沉降不斷減小，且沉降增長(zhǎng)幅度逐漸趨向于水平。當(dāng)樁徑由0.4 m增長(zhǎng)到0.7 m時(shí)，復(fù)合地基的沉降由17.39 mm降低至6.24 mm，降低了64.1%。分析其原因?yàn)楫?dāng)樁徑增加時(shí)，樁頂部所承受的荷載減小，減少了樁身的集中應(yīng)力，而隨著集中應(yīng)力減小，樁身周?chē)耐馏w所受到的附加應(yīng)力增加，且增加樁長(zhǎng)會(huì)使樁端部的應(yīng)力變大，提高了樁身的承載能力，進(jìn)而有效地降低了地基的整體沉降。

3.2.2"樁身軸力分析

如圖11所示為不同樁徑的水泥攪拌樁在豎向荷載為368 kPa下的樁身軸力分布曲線。

由圖11可知，水泥攪拌樁的直徑對(duì)樁身軸力的分布也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。隨著樁直徑的增加，樁身的軸力會(huì)隨之減小，這是因?yàn)闃渡硎艿匠叽缧?yīng)的影響，在相同荷載（368 kPa）的情況下增加樁的直徑，樁的截面面積增加，而樁身軸力就會(huì)隨之減小。樁身軸力受樁徑增大的影響較小，而受樁徑減小的影響較大，且樁徑越小，樁身的軸力增長(zhǎng)幅度越大。

4"結(jié)語(yǔ)

本文以南寧市某市政項(xiàng)目道路工程不良地質(zhì)軟基處理為例，通過(guò)ABAQUS軟件，研究了水泥攪拌樁復(fù)合地基在全周期的沉降變化規(guī)律及水泥攪拌樁在不同荷載下的應(yīng)力變化，并分析了不同樁長(zhǎng)以及樁徑對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基承載能力的影響。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）路基在軟土地區(qū)的沉降主要集中于施工階段，地基土的固結(jié)沉降主要集中于施工結(jié)束后的前2年。

（2）水泥攪拌樁的軸力隨著深度的增加而逐漸減小，側(cè)阻力隨著荷載的增大而增大。

（3）水泥攪拌樁上下兩部分的側(cè)阻力在不同時(shí)間發(fā)揮作用，樁體上部的側(cè)阻力較下部先發(fā)揮作用。

（4）選擇合適樁長(zhǎng)和樁徑能夠有效地降低水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降。

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