臨海飽水段淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路基加固防沉降關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 "要：應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學及材料力學等相關(guān)理論，結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，針對瓊海市某路基建設(shè)的沉降問題進行數(shù)值模擬研究。采用水泥攪拌樁對路基進行加固處理，對加固前、后的路基進行對比分析，得到水泥攪拌樁加固后路基的應(yīng)力分布、變形及沉降規(guī)律。結(jié)果表明，水泥攪拌樁加固前后，路基的應(yīng)力分布主要在上半部分，受壓為主。經(jīng)加固處理后，路基的豎向應(yīng)力會主要集中在水泥攪拌樁處，而未加固處理的路基的豎向應(yīng)力主要分布在路基土體中，加固后會導致路基的整體應(yīng)力重新調(diào)整分布；加固處理后路基的沉降量可減少65%以上，水泥攪拌樁加固淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路基效果顯著。

關(guān)鍵詞：黏土路基；加固處理；水泥攪拌樁；沉降分析；應(yīng)力

中圖分類號：U416.1 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0055-07

Abstract： Applying relevant theories such as structural mechanics and material mechanics， combined with field test data， a numerical simulation study was carried out on the settlement problem of a subgrade construction in Qionghai City. Cement mixing piles are used to strengthen the subgrade. The subgrade before and after reinforcement is compared and analyzed， and the stress distribution， deformation and settlement laws of the subgrade strengthened by cement mixing piles are obtained. The results show that before and after reinforcement with cement mixing piles， the stress distribution of the subgrade is mainly in the upper part， and the compression is the main part. After reinforcement， the vertical stress of the subgrade will be mainly concentrated at the cement mixing piles， while the vertical stress of the unreinforced subgrade will be mainly distributed in the subgrade soil. After reinforcement， the overall stress of the subgrade will be re-adjusted and distributed; through reinforcement， the settlement of the subgrade can be reduced by more than 65%， and the cement mixing piles have a significant effect on reinforcing the mucky silty clay subgrade.

Keywords： clay subgrade; reinforcement; cement mixing pile; settlement analysis; stress

在道路施工中，軟土是一種十分常見的土體，通常情況下，當土體的天然含水量達到30%以上時，或者是其孔隙水壓力超過了土壤的液限并具有較高的壓縮性和低抗剪強度，這樣的土壤便被定義為軟土[1]。部分軟土還會伴隨著較高比例的孔隙度或者富含有機物，如淤泥狀軟土和泥炭質(zhì)軟土[2-3]。在工程施工中，為了避免因地基沉降和變形而導致的路基損壞，需要對其進行相應(yīng)的加固處理。由于臨海飽水段淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土存在含水率高、壓縮性高、強度低、承載力低、結(jié)構(gòu)性強和工程性質(zhì)不良等問題[4]，在路基建設(shè)中難以把握其變形量、穩(wěn)定性和安全性等重要指標。因此需要利用加固技術(shù)手段來增強路基的穩(wěn)定性，在施工過程中，為提高路基的抗拉強度，采用加筋法進行加固處理[5]；采取塑料排水帶、土工合成材料、沙井預(yù)壓等新工藝，以提高排水固結(jié)效果[6]；在工程實踐中，采用攪拌樁施工工藝，以改善地基承載力[7]；通過振動水沖洗、強夯等方法提高了地基的密實度[8]。

目前，對軟土路基上的軟基處理，關(guān)系到道路的安全性和穩(wěn)定性，已成為高速公路建設(shè)急需解決的一個重要課題[9]。數(shù)十年來，針對軟黏土路基在特定的工程軟土地質(zhì)環(huán)境中的沉降控制和數(shù)值模擬研究取得了較好的成果，但其在多層軟土中的適用性并不理想[10]。KjeldPaus提出了利用攪拌樁法并添加石灰來加固軟土層，適用于深度不超過15 m的情況。Okyay等[11]對石灰、水泥加固土體的力學特性進行了研究，通過試驗，獲得了石灰、水泥加固土體的力學特性指標，明確了石灰、水泥加固土體的承載機制。郭偉[12]從環(huán)境、地形等方面對軟土路基進行了分析，并對其處理技術(shù)中的換填工藝、深層水泥攪拌樁處理工藝、碎石樁處理工藝的特性及需要的機械裝備等作了較為詳細的論述，并通過一個具體的工程實例，對該方法的加固效果進行了分析。 Kong[13]區(qū)別了軟土蠕變沉降和排水固結(jié)沉陷的成因，指出了蠕變固結(jié)沉降是軟土次固結(jié)變形隨時間變化的特點。B Zhu等在軟土地基上進行了一系列的鉆孔灌注試驗，觀察到了軟弱土層中存在孔隙封閉現(xiàn)象，并分析了樁基礎(chǔ)施工對軟弱土層中孔壓的影響。由于樁體加固地基的復(fù)雜性，研究涉及到多個層面，包括但不限于樁型選擇、樁土材料特性、具體施工工藝以及應(yīng)用場景等眾多因素，其難以實現(xiàn)對整個加固過程的全面深入理解和掌握[14]。

本文在瓊海市富海產(chǎn)業(yè)園旺海路管樁試驗段現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路基進行ABAQUS數(shù)值模擬，采用水泥攪拌樁對路基進行加固，對未加固路基和水泥攪拌樁加固后路基沉降、樁體的應(yīng)力特性以及路基的穩(wěn)定性進行了對比分析，證明水泥攪拌樁進行加固處理能減小路基的沉降，增強路基穩(wěn)定性，為施工設(shè)計提供參考。

1 "黏土路基的工程性質(zhì)

臨海段淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土屬濱海沉積型，由長期海水泥沙吹填破壞形成，稱重不均勻摻雜粗、中細砂顆粒。濱海沉積型又分為濱海相、瀉湖相、溺谷相、三角相[15-16]。在軟基處理中，通常使用方法有強夯、注漿、換填、樁處理、摻拌無機結(jié)合料等[17]。由于該土層透水性差、淤泥含量多、塑性變形量大、強不穩(wěn)定性，且沿海地區(qū)受潮汐水影響，路基沉降明顯，故采用夯擊等一般處理方案效果差，海南省石灰價格偏高，但對于穩(wěn)定性不佳的淤泥、淤泥質(zhì)土和粉土等，則采用水泥攪拌樁進行處理效果較好，所以采用水泥攪拌樁[18]加固作為首選方案。

黏土地基在外荷載作用下易產(chǎn)生沉降。按其變形特點，可將其劃分為3個階段：瞬時沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降[19-21]。

S=Sd+Sc+Ss ， （1）

式中：Sd為瞬時沉降（即土層在負荷施加瞬間產(chǎn)生的沉降，此時未排水）；Sc為主固結(jié)沉降（即隨著時間推移，超孔隙水壓力消散導致的沉降）；Ss為次固結(jié)沉降（即超孔隙水壓力已完全消散，土體骨架的蠕變特性引起的沉降）。

2 "淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路基數(shù)值模擬的構(gòu)建

2.1 "力學模型的建立

采用有限元軟件ABAQUS建立計算模型，為保證計算精度，合理地選取模型的尺寸至關(guān)重要。通過現(xiàn)場施工的數(shù)據(jù)，水泥攪拌樁的合理選取樁型為水泥攪拌樁，樁徑為500 mm，樁間距為1.5 m，設(shè)計樁長為12 m，承壓板的尺寸為1.2 m×1.2 m，承壓板面積為1.25 m2。在建模過程中，考慮到路基基礎(chǔ)的邊界條件，將路基長設(shè)為20 m，路基寬設(shè)為6 m，路基深設(shè)為14 m。計算模型如圖1、圖2所示。

圖1 "計算模型圖（未加固）

圖2 "計算模型圖（加固）

2.2 "土體力學參數(shù)的確定

通過對工程勘察資料的分析，得出了路基主要以素填土、粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土3種類型組成，土體的力學參數(shù)見表1。

2.3 "材料的本構(gòu)模型

在進行ABAQUS模擬計算時，一般使用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型是一種常用的本構(gòu)模型，它在巖土、道路等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。很多巖土及道路工程均采用Mohr-Coulomb強度準則進行設(shè)計與計算[21]。Mohr-Coulomb本構(gòu)方程的基本特征：考慮了材料的各向同性軟化和硬化，在ABAQUS中，通過控制凝聚力來實現(xiàn)剪切塑性面的硬化和軟化。

2.3.1 "屈服準則

Mohr-Coulomb模型的假設(shè)是，在發(fā)生定點破壞時，該點的抗剪強度與剪應(yīng)力相等并且所受的正應(yīng)力與剪切強度呈正比。該模型以摩爾圓為基礎(chǔ)，以破壞線為切線，以材料失效時的應(yīng)力狀態(tài)為基礎(chǔ)，提出了一種新的本構(gòu)關(guān)系[22]。Mohr-Coulomb模型的屈服準則表達式為

式中：？子為剪切強度；c為材料的黏聚力；？準為材料的內(nèi)摩擦角。

2.3.2 "屈服特性

當利用應(yīng)變不變量進行計算時，Mohr-Coulomb模型的屈服面方程表達式為

F=Rmcq-ptan？準-c=0 ， （3）

式中：Rmc為模型的偏應(yīng)力系數(shù)；q為Mises等效應(yīng)力；p為等效壓應(yīng)力；？準為材料的子午面的摩擦角；c為材料的黏聚力。

3 "計算結(jié)果分析

3.1 "路基強度分析

為了使模擬能更好為現(xiàn)場試驗提供參考，采用水泥攪拌樁對路基進行加固，并沿Z軸方向施加均布線性增加載荷。通過數(shù)值模擬計算得到未加固處理和加固處理后路基的應(yīng)力在不同方向上分布結(jié)果，如圖3至圖8所示。

如圖3、圖4所示，加固前路基在X軸方向所受壓應(yīng)力為5.34 kPa，路基的受力位置主要集中在中間位置，這主要是由于在荷載的增加下路基會發(fā)生變形，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于路基較深，使得傳到路基底部的應(yīng)力已較小。加固后X軸方向所受壓應(yīng)力達到3.3 MPa，加固后應(yīng)力主要分布在水泥攪拌樁中，使得路基強度提升，路基整體加固后的強度遠高于加固前的強度。

如圖5、圖6所示，加固前Y軸方向所受壓應(yīng)力為4.47 kPa，路基的受力位置主要集中在中間位置，并且向兩邊傳遞，這也是由于荷載的增加，路基發(fā)生變形，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。加固后Y軸方向所受壓應(yīng)力為0.18 MPa，應(yīng)力在此方向的作用相對較小。

如圖7、圖8所示，加固前Z軸方向所受壓應(yīng)力為13.5 kPa，應(yīng)力主要分布在路基的上半部分，路基所受應(yīng)力從上往下依次減弱，這是由于路基較深，使得傳到路基底部的應(yīng)力已較小。加固后Z軸方向所受壓應(yīng)力為0.25 MPa，由于在荷載作用下，路基主要受力位置都處于水泥攪拌樁中，使得路基整體強度增加，但相對于X軸方向所受應(yīng)力影響較小。

由以上分析可以看出，路基整體主要是受壓應(yīng)力，路基在X軸方向所受應(yīng)力明顯大于Y、Z軸方向。未加固處理和加固處理后路基的應(yīng)力分布明顯不同，未加固處理應(yīng)力主要集中在路基土體中，加固處理后豎向應(yīng)力主要集中在水泥攪拌樁中，使路基土體應(yīng)力重新分布，原因是路基加固后水泥攪拌樁所受應(yīng)力比路基中土體所受應(yīng)力大，受力時沿水泥攪拌樁向下傳遞，從而導致路基整體強度增大。

圖6 加固處理后Y軸方向應(yīng)力云圖

3.2 "路基變形沉降分析

通過對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路基用水泥攪拌樁進行加固處理和未加固處理的路基進行對比分析，得到在2種情況的水平位移和豎向位移云圖，其位移云圖如9至圖14所示。

如圖9、圖10所示，在X軸方向上，加固前的最大位移為4.02 mm，并主要在路基兩側(cè)發(fā)生變形，越靠近中間位置，變形量越小。加固后的最大位移為0.66 mm，相對加固前的位移量，加固后的最大位移量減小了3.36 mm，且路基的變形發(fā)生在路基土體兩側(cè)，這是由于采用水泥攪拌樁加固后增強路基強度，可將更多對路基所施加的載荷傳遞至水泥攪拌樁處，充分發(fā)揮樁體的抗壓能力，進而能夠有效地減小路基的位移。

如圖11、圖12所示，在Y軸方向上，加固前的最大水平位移發(fā)生在路基兩側(cè)，最大水平位移為4.07 mm。加固后的最大水平位移發(fā)生在水泥攪拌樁和路基土體處，水泥攪拌樁和路基水平位移量均較小，最大水平位移量為0.67 mm。加固后路基的水平位移明顯小于加固前的位移，加固后路基的水平位移減少了約5/6。表明水泥攪拌樁加固可以明顯減小路基的水平位移。這是由于水泥攪拌樁具有較高的強度和剛度，可以對路基填土產(chǎn)生顯著的抗拉能力，降低作用在路基上的附加應(yīng)力，從而減小路基的水平位移。

如圖13、圖14所示，加固前最大豎向位移發(fā)生在路基四周，并從上往下進行傳遞，此時的最大沉降為12.16 mm，加固后的最大豎向位移發(fā)生在水泥攪拌樁和路基之間均勻沉降，最大沉降為4.04 mm，明顯小于加固前的豎向沉降位移，兩者相比，加固后路基的沉降量減少了約2/3。充分顯示了水泥攪拌樁在路基加固效果上的優(yōu)勢。這是由于水泥攪拌樁加固后承擔的荷載增加，土體承擔的荷載減小，從而在路基上的附加應(yīng)力的數(shù)值和影響范圍也同時減小，路基的豎向位移也就同時減小。同時，從現(xiàn)場試驗以及實際的加固效果可以得到，對于工程地質(zhì)條件較差的淤泥質(zhì)軟土路基，采用水泥攪拌樁加固的處理方式可使更多荷載傳遞至樁上，充分發(fā)揮水泥攪拌樁的承載能力，可以有效減小豎向位移沉降。

由以上分析可以看出，加固前的最大水平位移主要發(fā)生在路基兩側(cè)，加固后的最大水平位移發(fā)生在水泥攪拌樁和路基土體處；加固前最大豎向位移發(fā)生在路基四周，并從上往下進行傳遞，加固后的最大豎向位移發(fā)生在水泥攪拌樁和路基之間。由于水泥攪拌樁具有較高的強度和剛度，采用水泥攪拌樁對淤泥質(zhì)軟土路基進行加固，可以對路基填土產(chǎn)生顯著的抗壓能力，降低作用在路基上的附加應(yīng)力，從而減小路基的沉降。因此在實際工程中用水泥攪拌樁對路基進行加固處理具有較好的防沉降作用。

3.3 "路基穩(wěn)定性分析

在路基建設(shè)工程中，不僅要考慮路基的變形，同時也要關(guān)注路基在施工期間的穩(wěn)定性。由于臨海飽水段淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土存在含水率高、壓縮性高、強度低、承載力低、結(jié)構(gòu)性強和工程性質(zhì)不良等問題。采用水泥攪拌樁對路基進行加固，討論未加固處理和加固處理后路基的應(yīng)力、變形、沉降結(jié)果。路基采用水泥攪拌樁進行加固，因此泡沫混凝土幫寬階段既有路基并不會失穩(wěn)破壞。

如圖 15、圖16所示，采用水泥攪拌樁進行加固處理后，路基所受應(yīng)力明顯大于未加固處理的路基，且未加固路基應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，由于路基進行加固后荷載所施加的應(yīng)力大部分傳遞到水泥攪拌樁處，從而使加固后的路基不易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進一步提升路基的穩(wěn)定性。同時，路基加固前，主要在路基兩側(cè)發(fā)生變形，越靠近中間位置變形量越小，導致路基不均勻沉降，路基加固處理后，使位移發(fā)生在水泥攪拌樁和路基之間均勻沉降，且加固處理后路基的沉降量明顯較小，最大沉降差可達8 mm以上。原因是未加固處理的路基土體受力后會發(fā)生塑性變形和破壞，這個過程并不是線性的，隨著所施加荷載的增大，路基漸漸發(fā)生不均勻變形及沉降增大的現(xiàn)象，而路基采用水泥攪拌樁進行加固后，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，并減小路基沉降量增強路基穩(wěn)定性。因此水泥攪拌樁對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路基進行加固能有效地提高防沉降增穩(wěn)作用。

4 "結(jié)論

本文分析軟黏土路基的工程特性以及軟土路基的沉降過程，并且對常用處理方法的加固原理進行說明。利用現(xiàn)場勘察的數(shù)據(jù)，采用設(shè)計水泥攪拌樁加固的處理方法對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土路基進行加固，并基于ABAQUS軟件數(shù)值模擬，對未加固路基和水泥攪拌樁加固后路基的沉降位移、強度和穩(wěn)定性等進行分析，得出以下結(jié)論：

1）在相同加載制度下，路基整體主要是受壓應(yīng)力，路基在X軸方向所受應(yīng)力明顯大于Y、Z軸方向。未加固處理和加固處理后路基的應(yīng)力分布明顯不同，未加固處理應(yīng)力主要集中在路基土體中，加固處理后豎向應(yīng)力主要集中在水泥攪拌樁中，使路基土體應(yīng)力重新分布，原因是路基加固后水泥攪拌樁所受應(yīng)力比路基中土體所受應(yīng)力大，受力時沿水泥攪拌樁向下傳遞，從而導致路基整體強度增大。

2）在路基變形沉降分析中，加固前的最大水平位移主要發(fā)生在路基兩側(cè)，加固后的最大水平位移發(fā)生在水泥攪拌樁和路基土體處，路基的水平位移減少了約5/6；加固前最大豎向位移發(fā)生在路基四周，并從上往下進行傳遞，加固后的最大豎向位移發(fā)生在水泥攪拌樁和路基之間，路基的沉降量減少了約2/3。

3）未加固處理的路基土體受力后會發(fā)生塑性變形和破壞，這個過程并不是線性的，隨著所施加荷載的增大，路基漸漸發(fā)生不均勻變形及沉降增大的現(xiàn)象，而路基加固后，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，并減小路基沉降量最大沉降差可達8 mm以上。因此在實際工程中用水泥攪拌樁對路基進行加固處理具有較好的防沉降增穩(wěn)作用。

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