大范圍軟土一級(jí)公路水泥土攪拌樁路基沉降數(shù)值模擬

朱俊樸，張建輝，王鵬，程一唯，婁平

大范圍軟土一級(jí)公路水泥土攪拌樁路基沉降數(shù)值模擬

朱俊樸1，張建輝2，王鵬2，程一唯3，婁平3

(1. 中國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100029；2. 中建湛江大道投資建設(shè)有限公司，廣東 湛江 524000；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

以一級(jí)公路湛江大道存在的大范圍軟土為工程背景，針對(duì)公路路基極易引發(fā)沉降和路面不均勻沉降等施工難點(diǎn)，開(kāi)展大范圍軟土一級(jí)公路路基沉降規(guī)律數(shù)值模擬研究。利用Midas/GTS軟件，建立路堤?地基?水泥土攪拌樁的有限元模型，研究設(shè)樁及不設(shè)樁2種工況下路基沉降變形規(guī)律以及樁彈性模量、樁長(zhǎng)、水泥土攪拌樁面積置換率對(duì)路基沉降的影響。研究結(jié)果表明：使用水泥土攪拌樁處理軟土地基能夠有效降低工后沉降，樁體彈性模量及樁長(zhǎng)對(duì)工后沉降影響較小，選取面積置換率時(shí)需要綜合考慮沉降控制效果和經(jīng)濟(jì)成本。

軟土地基；水泥土攪拌樁；沉降控制；數(shù)值模擬

公路是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈，作為交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，能夠極大的推動(dòng)沿線(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而，由于我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況十分復(fù)雜，廣泛分布著各種軟弱土地基以及特殊土地基，比如廣東地區(qū)存在大量的軟土地基，在此地區(qū)修建公路如不對(duì)軟土進(jìn)行加固處理會(huì)導(dǎo)致地基產(chǎn)生較大的不均勻沉降，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的破壞。因此研究大范圍軟土下一級(jí)公路的路基沉降控制技術(shù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。軟土具有強(qiáng)度低、含水率高、沉降量大等不良特性，因此需要對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于軟基的處理方法有淺層換填法、排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法、擠密法、化學(xué)加固法和復(fù)合地基法等[1?2]。其中復(fù)合地基是指將一部分天然地基進(jìn)行人工置換或者人工加強(qiáng)，通過(guò)人工處理后的地基增強(qiáng)體與原有天然地基形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)外部荷載的一種人工地基，是一種常見(jiàn)的人工地基形式[3]，且復(fù)合地基技術(shù)具有較好的承載性能、可以控制沉降和工期等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于軟土地基處治[4]。水泥土攪拌樁是復(fù)合地基的一種，使用水泥作為固化劑，在地基深處將軟土與固化劑進(jìn)行攪拌，通過(guò)固化劑與軟土之間產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)，使得土體強(qiáng)度大大提高。經(jīng)實(shí)踐證明，使用水泥土攪拌樁處理軟土地基能達(dá)到控制沉降變形，提高地基承載力的目的，且由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工便捷，在公路建設(shè)中也得到了廣泛的應(yīng)用[5]。本文結(jié)合軟土路基沉降控制研究現(xiàn)狀，基于湛江大道項(xiàng)目，針對(duì)水泥土攪拌樁處理軟土地基這一方法，應(yīng)用有限元軟件Midas/GTS建立模型，研究路基沉降變形規(guī)律以及水泥土攪拌樁參數(shù)對(duì)路基沉降的 影響。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目湛江大道位于湛江市西側(cè)，是湛江市規(guī)劃的“一環(huán)九射”快速路系統(tǒng)中“一環(huán)”的重要組成部分。項(xiàng)目路線(xiàn)全長(zhǎng)21.916 km，設(shè)計(jì)采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，設(shè)計(jì)服務(wù)水平為二級(jí)。擬建工程區(qū)內(nèi)總體地形平坦，經(jīng)工程地質(zhì)測(cè)繪，工程區(qū)的不良地質(zhì)為局部路段分布的可液化砂土，場(chǎng)地內(nèi)分布的特殊巖土為膨脹土、人工填土和軟土。其中，場(chǎng)區(qū)分布的軟土為<3-1>淤泥質(zhì)土、<5-1>泥炭質(zhì)土、<5-1-1>淤泥質(zhì)土。

2 水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降控制技術(shù)

水泥土攪拌法按照施工工藝分為漿液噴射法和粉體噴射法2種，前者形成的加固體稱(chēng)為深層攪拌樁，后者形成的加固體稱(chēng)為粉噴樁，二者統(tǒng)稱(chēng)為水泥土攪拌樁。水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑，在地基深處將軟土和水泥強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。其所形成的加固體與樁間土共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，能夠有效地提高地基承載力，減少沉降變形[6? 7]。

本文針對(duì)湛江大道實(shí)際地質(zhì)情況，選擇K5+ 505～K6+060標(biāo)段內(nèi)典型斷面進(jìn)行建模，該標(biāo)段內(nèi)分布的軟土為<3-1>淤泥質(zhì)土，呈灰黑色，軟塑，成分以黏粒為主，粉粒次之，富含有機(jī)質(zhì)，具臭味。水泥土攪拌樁采用彈性模型，彈性模量為100 MPa，泊松比為0.2，樁徑0.5 m，樁間距1.5 m，樁長(zhǎng)8 m，平面布置呈正方形。

3 水泥土攪拌樁復(fù)合地基固結(jié)沉降數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

由于公路工程軸向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸，因此可以將空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題來(lái)考慮。依據(jù)水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)方案，選取路基典型代表斷面，如圖1所示，路基高度為25.6 m，從上到下分別為路堤填土、碎石墊層、素填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、中砂、黏土和粗砂，各土層參數(shù)見(jiàn)表1。路堤邊坡坡比1:1.5，分2層填筑；路堤頂面寬度32 m，考慮邊界影響，在路基兩側(cè)各延伸25 m，地基橫斷面水泥土攪拌樁布置寬度為54.5 m。

本模型中淤泥質(zhì)土采用修正劍橋本構(gòu)模型[8]，其余各土層、路堤填土及碎石墊層采用莫爾?庫(kù)倫本構(gòu)模型，水泥土攪拌樁采用梁?jiǎn)卧M；地下水位位于路基面以下2.0 m；模型頂面采用自由邊界，左右側(cè)設(shè)置水平方向約束，底部設(shè)置固定約束；排水條件選擇素填土與淤泥質(zhì)土之間的節(jié)點(diǎn)；碎石墊層與路堤填土層設(shè)置非固結(jié)條件。模型計(jì)算過(guò)程中僅考慮結(jié)構(gòu)自重作用。采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立考慮路堤—地基—水泥土攪拌樁的有限元模型，網(wǎng)格劃分采用德勞內(nèi)網(wǎng)格，形式為三角形，路堤填土與碎石墊層處網(wǎng)格尺寸為0.8，水泥土攪拌樁附近網(wǎng)格較為密集，網(wǎng)格尺寸為0.6，其余遠(yuǎn)離樁體的土層部分網(wǎng)格較為稀疏[9]，網(wǎng)格尺寸為1.6；有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 土層參數(shù)

圖1 水泥土攪拌樁復(fù)合地基斷面圖

圖2 水泥土攪拌樁復(fù)合地基有限元模型

3.2 計(jì)算結(jié)果與討論

3.2.1 水泥土攪拌樁復(fù)合地基固結(jié)沉降規(guī)律

有限元模型施工過(guò)程模擬考慮了水泥土攪拌樁施工(15 d)、碎石墊層填筑(60 d)、填筑第1層路堤土(100 d)、填筑第2層路堤土(80 d)以及填筑完沉降1 a。分別模擬無(wú)樁與設(shè)樁2種工況，填筑完成 1 a后路基表面中心處沉降量隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖3；施工完畢并固結(jié)1 a后，設(shè)樁與未設(shè)樁2種工況下路基填土頂面各位置的沉降量見(jiàn)圖4。

由圖3可知，設(shè)樁與未設(shè)樁2種工況下路基表面中心沉降量的變化規(guī)律基本相同：在僅考慮自重和軟土固結(jié)的條件下，沉降量隨著時(shí)間增加而增大。在1~16 d路基表面中心沉降值增加速率較大，在17~256 d的碎石墊層施工以及路堤填土填筑階段，路基表面中心沉降值增加速率相對(duì)減慢且呈線(xiàn)性增加，在路堤填土填筑完成后，路基表面中心沉降量趨于平緩。

圖3 路基表面中心沉降隨時(shí)間變化關(guān)系曲線(xiàn)圖

表2 工后容許沉降值

對(duì)比設(shè)樁與未設(shè)樁2種工況可知，未設(shè)水泥土攪拌樁時(shí)，路基表面中心最大沉降量達(dá)到34.94 cm，超過(guò)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[10]中一般路段容許沉降值(見(jiàn)表2)，不能直接使用。應(yīng)用水泥土攪拌樁處理后，路基表面中心最大沉降量為9.91 cm，減少了75.19%，沉降量符合規(guī)范的 要求。

由圖4可知，各位置沉降量大致以填土頂面中心為軸呈對(duì)稱(chēng)分布，各位置沉降量較為均勻，不設(shè)水泥土攪拌樁時(shí)平均沉降量為34.82 cm，設(shè)水泥土攪拌樁時(shí)平均沉降量為9.43 cm，減少了72.92%。

圖4 施工完成1 a后路基填土頂面沉降分布曲線(xiàn)圖

綜上所述，使用水泥土攪拌樁處理軟土地基可以顯著降低工后沉降，提高地基承載力。

3.2.2 水泥土攪拌樁彈性模量的影響

圖5表示在不同樁體彈性模量下(80，100，120和140 MPa)，施工完1 a后路基表面的沉降分布曲線(xiàn)。由圖5可知，不同樁體彈性模量下路基表面沉降規(guī)律一致，且隨著彈性模量增大，路基表面的最大沉降值減小。在樁體彈性模量為80，100，120和140 MPa時(shí)，路基表面最大沉降分別為10.77，9.91，9.28和8.79 cm，均符合規(guī)范中一般路段容許沉降值的要求；平均沉降分別為10.24，9.43，8.83和8.37 cm，由此可以得出，當(dāng)樁體彈性模量增大25%，50%和75%時(shí)，路基表面平均沉降量分別減少了7.9%，13.8%和18.38%，說(shuō)明雖然增大樁體彈性模量可以有效減小工后沉降，但其效果并不顯著。因此需要在保證工后沉降量達(dá)到規(guī)范要求的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)效益更好的水泥土攪拌樁彈性模量值。

圖5 不同樁體彈性模量下路基頂面沉降分布曲線(xiàn)圖

圖6 不同樁長(zhǎng)下路基頂面沉降分布曲線(xiàn)圖

3.2.3 水泥土攪拌樁樁長(zhǎng)的影響

圖6表示在保證樁端處于持力層的前提下，不同樁長(zhǎng)(7，8和9 m)工后1 a路基表面沉降分布曲線(xiàn)。由圖6可知，不同樁長(zhǎng)下路基表面沉降規(guī)律一致，且隨著樁長(zhǎng)增大，路基表面的最大沉降值減小，但差異較小。在樁長(zhǎng)分別為7，8和9 m時(shí)，路基中心處沉降量最大，分別為10.13，9.91和9.82 cm，且距中心距離越遠(yuǎn)，不同樁長(zhǎng)下的路基面沉降差異越小，路基表面平均沉降量分別為9.61，9.43和9.34 cm。由此可知樁長(zhǎng)對(duì)于降低工后沉降的影響較小，在施工時(shí)可適當(dāng)減小距路基中心較遠(yuǎn)的水泥土攪拌樁長(zhǎng)度以提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.4 水泥土攪拌樁面積置換率的影響

水泥土攪拌樁面積置換率的大小對(duì)加固地基的沉降具有一定的影響。面積置換率是指豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基中，豎向增強(qiáng)體的橫斷面積與其所對(duì)應(yīng)的 (或所承擔(dān)的)復(fù)合地基面積之比[11]。復(fù)合地基的面積置換率決定了樁的根數(shù)，置換率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致施工成本增大，造成不必要的浪費(fèi)。圖7表示不同面積置換率下(0.022，0.031，0.049，0.087和0.196)，施工完成1 a后路堤填土頂面沉降量的分布情況。

圖7 不同面積置換率下路堤頂面沉降分布曲線(xiàn)圖

由圖7可以看出，隨著置換率的增大，路堤填土頂面沉降量顯著減小。置換率分別為0.022，0.031，0.049，0.087和0.196時(shí)路基表面最大沉降量分別為16.91，13.54，10.95，9.25和8.47 cm，均符合規(guī)范中一般路段容許沉降值的要求。置換率為0.022時(shí)，路堤頂面沉降平均值為15.96 cm，置換率為0.087時(shí)，路堤頂面沉降平均值為8.87 cm，減少了44.42%，說(shuō)明其他條件不變的情況下，水泥土攪拌樁復(fù)合地基的面積置換率對(duì)地基沉降有著很大的影響；但置換率越高，所需樁體數(shù)量也越大，增大了施工成本的同時(shí)也可能導(dǎo)致部分樁體不能夠充分發(fā)揮其作用，造成浪費(fèi)。因此，復(fù)合地基處理時(shí)應(yīng)注意選取合理的面積置換率。

4 結(jié)論

1) 軟土地基不經(jīng)過(guò)處理時(shí)，工后沉降過(guò)大，無(wú)法滿(mǎn)足一級(jí)公路的正常使用要求。經(jīng)過(guò)水泥土攪拌樁處理后，路基表面最大沉降量隨著時(shí)間增加而增大，并在完成路堤土填筑后趨于穩(wěn)定，路基表面最大沉降量滿(mǎn)足一級(jí)公路的正常使用要求，因此，使用水泥土攪拌樁處理軟土地基能夠有效控制路基沉降。

2) 隨著水泥土攪拌樁彈性模量、樁長(zhǎng)、面積置換率的增大，路基頂面工后沉降量減小。其中，樁體彈性模量以及樁長(zhǎng)對(duì)于降低工后沉降效果并不顯著，施工時(shí)可在保證工后沉降量達(dá)到要求的前提下選擇更為經(jīng)濟(jì)的施工方案；面積置換率對(duì)工后沉降量有較大的影響，置換率大的施工方案其工后沉降量小，但同時(shí)也增加了施工成本，因此施工時(shí)應(yīng)注意選取合理的置換率，既要有效控制地基沉降，又要注意經(jīng)濟(jì)效益。

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Numerical simulation of settlement of cement-soil mixing pile subgrade of large-scale soft soil first-class highway

ZHU Junpu1, ZHANG Jianhui2, WANG Peng2, CHENG Yiwei3, LOU Ping3

(1. China Construction Infrastructure Co. Ltd, Beijing 100029, China;2. China Construction Zhanjiang Avenue Investment and Construction Co. Ltd, Zhanjiang 524000, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the engineering background of large-scale soft soil in Zhanjiang avenue of the first-class highway, numerical simulation of settlement law of first grade highway subgrade with soft soil is carried out, aiming at the construction difficulties such as settlement easily caused by highway subgrade and uneven settlement of pavement. A finite element model considering embankment-foundation-cement-soil mixing pile is established by using Midas/GTS. The subgrade settlement and deformation laws under two conditions of pile-setting and non-pile-setting and influence of elastic modulus of pile, length of pile and area replacement ratio of cement-soil mixing pile on subgrade settlement are studied. The results show that using cement-soil mixing pile to treat soft soil foundation can effectively reduce post-construction settlement, the elastic modulus and length of pile have little influence on post-construction settlement and the settlement control effect and economic cost should be considered comprehensively when selecting area replacement rate.

soft soil foundation; cement-soil mixing pile; settlement control; numerical simulation

U416.1

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1390 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190783

2019?09?04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678572，51978672)；中建湛江大道投資建設(shè)有限公司科研課題資助項(xiàng)目(2018001)

婁平(1968?)，男，湖南瀏陽(yáng)人，教授，博士，從事道路與鐵道工程設(shè)計(jì)與理論研究；E?mail：pinglou@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)