碎石樁加固軟土路基沉降特性分析

摘" 要：通過工程實例，采用有限元分析軟件建立碎石樁加固軟土路基數(shù)值模型，分析樁身模量、樁身直徑、樁身長度和樁間距等不同碎石樁參數(shù)下軟土路基沉降變化規(guī)律，并通過監(jiān)測碎石樁加固前后路基豎向沉降、水平位移、豎向應(yīng)力值等重要指標變化情況，評價碎石樁加固軟土路基的改善效果，揭示碎石樁加固軟土路基的改良機制。研究結(jié)果表明，采用碎石樁加固軟土路基后，路基豎向沉降值、水平位移值均有效降低，路基豎向應(yīng)力值為加固前的3.05倍，碎石樁能夠起到很好的加固作用；增大碎石樁樁身模量、樁身直徑、樁身長度和減小樁間距能有效改善軟土路基沉降；在距離路基中心10 m范圍內(nèi)采用碎石樁加固效果更為顯著。

關(guān)鍵詞：碎石樁；軟土路基；路基沉降；數(shù)值模擬；加固技術(shù)

中圖分類號：U416.1""""" 文獻標志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0056-05

Abstract： Through engineering examples， finite element analysis software is used to establish a numerical model of soft soil subgrade strengthened by gravel piles， and the settlement change laws of soft soil subgrade under different gravel pile parameters such as pile body modulus， pile body diameter， pile body length and pile spacing are analyzed. By monitoring the changes of important indicators such as vertical settlement， horizontal displacement， and vertical stress values of the subgrade before and after gravel piles are strengthened， the improvement effect of gravel piles in strengthening soft soil subgrade is evaluated， and the improvement mechanism of gravel piles in strengthening soft soil subgrade is revealed. The research results show that after using gravel piles to strengthen soft soil subgrade， the vertical settlement value and horizontal displacement value of the subgrade are effectively reduced， and the vertical stress value of the subgrade is 3.05 times that before reinforcement. The gravel piles can play a good reinforcement role; increasing the modulus of gravel piles， pile diameter， pile length and reducing the pile spacing can effectively improve the settlement of soft soil subgrade; the reinforcement effect of using gravel piles within 10 meters from the center of the subgrade is more significant.

Keywords： gravel pile; soft soil subgrade; subgrade settlement; numerical simulation; reinforcement technology

軟土路基在國內(nèi)外分布廣泛，其具有含水量大、壓縮量高、承載力低等不良特性，極易造成路基不均勻沉降，因此路基沉降控制一直是公路路基施工的重點。改善軟土路基的方法主要有物理改良法、化學改良法、挖土換填、強夯、加固、預(yù)堆載和真空預(yù)壓等，碎石樁加固具有高排水能力，處理后形成碎石增強體與樁間加固土組成的復合地基，可有效加速土體固結(jié)，降低土體沉降，廣泛應(yīng)用于飽和軟土、黏性土、粉土、填土和淤泥質(zhì)土等不良地基處治中，成為處理軟土路基最有效的方法。為進一步分析碎石樁參數(shù)變化對軟土路基沉降的影響規(guī)律。

1" 工程概況

格魯吉亞E60高速Lot3項目位于格魯吉亞西南部，項目全長為12 km，項目施工段落為軟土路基，軟基深度達到40 m以上，擬采用碎石樁復合地基進行軟土路基加固，碎石樁直徑為0.8 m，深度9～20 m，間距為1.2 m×1.2 m～3.5 m×3.5 m不等，等邊三角形排列布置，總工程量為1 758 948 m。地質(zhì)勘查結(jié)果顯示，該項目地質(zhì)主要為砂土和黏土，局部砂層中含有礫石，為沿海平原第四紀黏土和砂質(zhì)沉積物的含水復合地層，形成了一個完整的孔隙含水層。

2" 建立模型

采用有限元軟件ABAQUS建立碎石樁加固軟土路基數(shù)值模型，根據(jù)對稱性原則，建模時選取路基右半部分，其有限元模型示意如圖1所示。計算模型中，路基頂部半幅寬度為14 m，底部半幅寬度為19 m，地基半幅寬度為23 m，路基高度為3.5 m，坡率為1∶1.5。

為提高計算精度，計算模型采用結(jié)構(gòu)單元進行模擬，共劃分為286個單元和318個節(jié)點，碎石樁采用實體模型建立，模型均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，各種材料的物體力學參數(shù)見表1。

模型假定條件：①碎石樁和土體為均質(zhì)各向同性體，不考慮土體排水固結(jié)；②土體為多空介質(zhì)材料，地基和路堤為理想彈塑性材料；③樁體和土體接觸位置位移始終相同，無相對位移。

模型邊界條件：上邊界為自由界面，左右兩側(cè)進行水平約束，底部固定約束，限制水平方向和豎直方向位移。

3" 不同碎石樁參數(shù)加固對軟土路基沉降的影響分析

已有學者研究表明，碎石樁長度、碎石樁內(nèi)摩擦角、碎石樁間距、軟土內(nèi)摩擦角、地基彈性模量、路堤填方高度及土工格柵剛度等因素對路基沉降變化具有顯著影響[1-3]。本文結(jié)合工程實際，從碎石樁參數(shù)方面因素出發(fā)，研究碎石樁樁身模量、樁間距、樁身直徑和樁身長度對軟土路基沉降的影響規(guī)律。

3.1" 樁身模量對軟土路基沉降的影響分析

為研究碎石樁樁身模量對加固軟土路基沉降的影響，計算模型中，樁身壓縮模量分別取50、100、150 MPa 3種工況，路基沉降曲線如圖2所示。

由圖2可知，路基最大沉降隨碎石樁樁身壓縮模量的增大而減小，隨著樁身壓縮模量增大，路基沉降的減小幅度也增大。碎石樁樁身壓縮模量為50 MPa時，路基最大沉降量為14.49 mm，碎石樁樁身壓縮模量為100 MPa時，路基最大沉降量為13.26 mm，路基最大沉降量減小了8.5%，碎石樁樁身壓縮模量為150 MPa時，路基最大沉降量為11.52 mm，路基最大沉降量減小了13.1%，說明增加碎石樁樁身壓縮模量可有效降低軟土路基沉降。這是因為碎石樁樁身壓縮模量增加，使得路基豎向應(yīng)力增大，路基的承載力得到提高，地基的沉降和路基的不均勻沉降減小。同時，路基沉降主要發(fā)生在靠近路基中心10 m范圍內(nèi)，距離路基中心超過10 m時，路基最大沉降隨著距離路基中心越遠而減小。這是由于公路建設(shè)完成后，經(jīng)常受到車輛荷載作用，而路基中心受到的車輛荷載較大，車輛動載作用對路基沉降的影響更大。

3.2" 樁身直徑對軟土路基沉降的影響分析

為研究碎石樁樁身直徑對加固軟土路基沉降的影響，計算模型中，樁身直徑分別取0.6、0.8、1 m 3種工況，路基沉降曲線如圖3所示。

由圖3可知，路基最大沉降量隨碎石樁樁身直徑的增大而減小。碎石樁樁身直徑為0.6 m時，路基最大沉降量為15.21 mm；碎石樁樁身直徑為0.8 m時，路基最大沉降量為15.18 mm；碎石樁樁身直徑為1.0 m時，路基最大沉降量為14.38 mm。隨著碎石樁樁身直徑增大，路基最大沉降量減小幅度并不明顯，說明增加碎石樁樁身直徑可降低軟土路基沉降，但控制效果不明顯。這是因為當一定范圍內(nèi)碎石樁數(shù)量確定時，隨著碎石樁樁身直徑增大，樁間距減小，樁體分布更為緊密，使得樁體承載更多的上部動載，提升碎石樁端的承載能力，從而降低路基沉降[4]。但樁身直徑過大容易引起群樁效應(yīng)，在實際工程施工中，應(yīng)合理設(shè)計樁身直徑以實現(xiàn)預(yù)期效果。同時，路基沉降最大值發(fā)生在靠近路基中心8 m處，距離路基中心超過10 m時，路基最大沉降隨著距離路基中心越遠而顯著減小。

3.3" 樁身長度對軟土路基沉降的影響分析

為研究碎石樁樁身長度對加固軟土路基沉降的影響，計算模型中，樁身長度分別取8、10、12 m三種工況，路基沉降曲線如圖4所示。

由圖4可知，路基最大沉降量隨碎石樁樁身長度的增大而減小。碎石樁樁身長度為8 m時，路基最大沉降量為16.18 mm，碎石樁樁路基最大沉降量減小了6.7%；碎石樁樁身長度為10 m時，路基最大沉降量為15.09 mm，路基最大沉降量減小了6.7%；碎石樁樁身長度為12 m時，路基最大沉降量為14.66 mm，路基最大沉降量減小了2.8%。說明隨著碎石樁樁身長度增大，路基最大沉降減小，減小幅度也隨之減小。這是因為隨著碎石樁樁身長度增加，路基的徑向排水能力增加，減少了路基沉降所需要的時間，同時增加樁長還可以增加樁體與土體的擠密作用，從而改善軟土路基的整體性。但由于樁長增加路基沉降的減少幅度是遞減的，當樁身長度超過一定值后，路基沉降的控制效果并不明顯，且增加了工程施工難度，因此在工程施工時，應(yīng)合理設(shè)計碎石樁樁身長度，以降低施工難度、控制工程成本。

3.4" 樁間距對軟土路基沉降的影響分析

為研究碎石樁之間間距對加固軟土路基沉降的影響，計算模型中，樁間距分別取1.8、2.0、2.2、2.4 m四種工況，路基沉降曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著碎石樁樁間距增大，軟土路基沉降不斷增大。樁間距為1.8 m時，路基最大沉降值為34.8 mm；樁間距為2.0 m時，路基最大沉降值為37.6 mm，沉降增加8.1%；樁間距為2.2 m時，路基最大沉降值為40.0 mm，沉降增加6.4%；樁間距為2.4 m時，路基最大沉降值為42.2 mm，路基沉降增加5.5%，說明減小樁間距可有效降低路基沉降。這是因為碎石樁具有較好的排水功能，減小碎石樁間距可有效縮短水體徑向流徑，加快軟土固結(jié)速度，同時，距離路基中心10 m范圍內(nèi)，沉降曲線變化較為平緩，且不同樁間距之間沉降變化幅度較大，距離路基中心10 m外沉降曲線變化較為陡峭，不同樁間距之間沉降變化幅度較小，說明路基沉降主要發(fā)生在距離路基中心10 m范圍內(nèi)，在距離路基中心10 m范圍內(nèi)縮小碎石樁樁間距對改善軟土路基沉降效果更為顯著。

4" 碎石樁加固軟土路基效果分析

路基豎向沉降、水平位移和豎向應(yīng)力3個指標是評價軟土路基改良措施的重要指標，豎向沉降和水平位移是反映路基是否發(fā)生沉降變形、維持安全狀態(tài)的重要體現(xiàn)，豎向應(yīng)力是反映路基的受力情況和承載力的重要指標[5]。通過在格魯吉亞E60高速Lot3項目路基施工過程中設(shè)置沉降監(jiān)測點，采集數(shù)據(jù)對比分析碎石樁加固軟土路基前后路基指標變化，以評價碎石樁加固軟土路基的實際效果。

4.1" 豎向沉降數(shù)值分析

對路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，利用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬分析，得到碎石樁加固前后路基沉降云圖如圖6所示，規(guī)定向上方向為正方向。路基沉降對比曲線如圖7所示。

由圖6和圖7可知，路基中心位置沉降量最大，往路基中心兩側(cè)沉降逐漸減小，且距離路基中心超過10 m時，路基沉降減小幅度更為明顯。采取碎石樁加固措施前后，路基最大沉降值分別為11.28 mm和8.44 mm，采取碎石樁加固措施后，路基最大沉降值減小了2.84 mm，路基最大沉降減小幅度為25.2%，說明碎石樁加固措施對減小軟土路基沉降具有顯著效果，且在距離路基中心10 m范圍內(nèi)進行碎石樁加固，路基沉降改善效果更為顯著。由于碎石樁自身剛度遠大于樁間土剛度，采用碎石樁加固軟土路基后，路基上部荷載轉(zhuǎn)移至碎石樁承擔，樁間土體承受荷載減小，從而減小路基沉降。

4.2" 水平位移數(shù)值分析

圖8為碎石樁加固前后路基水平位移云圖，規(guī)定向右方向為正方向。圖9為碎石樁加固前后路基水平位移對比曲線。

由圖8和圖9可知，碎石樁加固前后，路基水平位移均發(fā)生在距離路基中心較遠的外側(cè)，最大水平位移發(fā)生在距離坡腳較近的路基下側(cè)。采取碎石樁加固措施前后，路基最大水平位移值分別為1.32 mm和1.01 mm，采取碎石樁加固措施后，路基最大水平位移值減小了0.31 mm，路基最大水平位移減小幅度為23.5%，說明碎石樁加固軟土路基后，對路基產(chǎn)生了水平約束作用，有效減小了路基水平位移。

4.3" 豎向應(yīng)力數(shù)值分析

圖10為碎石樁加固前后路基豎向應(yīng)力云圖，圖11為碎石樁加固前后路基豎向應(yīng)力對比曲線。

由圖10可知，采取碎石樁加固措施前后，路基最大豎向應(yīng)力值分別為10.1 kPa和30.8 kPa，采取碎石樁加固措施后，路基最大豎向應(yīng)力值增大了20.7 kPa，路基最大豎向應(yīng)力增加幅度為205%，碎石樁加固后路基最大豎向應(yīng)力值為加固前的3.05倍。同時，對比圖10（a）、圖10（b）反映出碎石樁加固軟土路基后，碎石樁頂?shù)呢Q向應(yīng)力值大于樁體附近土體的豎向應(yīng)力值，遠大于未采取加固措施的土體豎向應(yīng)力值，說明采用碎石樁加固增大了路基土體的抗壓能力，從而提高路基承載力，碎石樁能起到較好的加固和穩(wěn)定軟土路基的作用。由圖11可知，碎石樁加固前，路基豎向應(yīng)力值變化是一條規(guī)律變化曲線，豎向應(yīng)力值由路基中心位置往兩側(cè)逐漸減小，路基中心處豎向應(yīng)力值最大；采用碎石樁加固后，路基豎向應(yīng)力值呈現(xiàn)上下波動變化，路基最大豎向應(yīng)力值不再是路基中心處，而是發(fā)生在碎石樁位置，體現(xiàn)為碎石樁加固部位豎向應(yīng)力值增大，樁間土體部位豎向應(yīng)力值減小。說明采用碎石樁加固路基后，碎石樁能有效承擔路基上部荷載，從而提高路基承載力，碎石樁能起到較好的加固和承載作用。

5" 結(jié)論

本文以格魯吉亞E60高速Lot3項目為例，采用有限元軟件ABAQUS 建立碎石樁加固軟土路基數(shù)值模型，分析碎石樁樁身模量、樁身直徑、樁身長度和樁間距等不同碎石樁參數(shù)對路基沉降的影響規(guī)律，并從路基豎向沉降、水平位移、豎向應(yīng)力3個重要指標變化監(jiān)測碎石樁加固軟土路基的效果，得到以下結(jié)論。

1）碎石樁能有效降低路基豎向沉降和水平位移，增強路基豎向應(yīng)力水平，增強路基承載力，碎石樁是加固軟土路基、提高路基穩(wěn)定性的有效方法。

2）增大碎石樁樁身模量、樁身直徑、樁身長度和減小樁間距能有效改善軟土路基沉降。但隨著樁身直徑和樁身長度增大，路基沉降減小幅度遞減，工程施工中應(yīng)合理設(shè)計樁身直徑和樁身長度，以降低施工難度、控制工程成本。

3）路基沉降主要發(fā)生在距離路基中心10 m范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)增大樁身模量、樁身直徑、樁身長度和降低樁間距對減小路基沉降效果更為顯著。

參考文獻：

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