素混凝土樁復(fù)合地基數(shù)值模擬及變形特性研究

摘要 素混凝土樁復(fù)合地基作為一種新式地基處理方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷、造價低、承載力大等優(yōu)點，工程中已得到了廣泛應(yīng)用，但目前素混凝土樁復(fù)合地基關(guān)于變形特性的研究尚不完善。該文以肇明高速TJ01-01標(biāo)軟土路基為例，通過MIDAS GTS NX軟件建立數(shù)值模擬模型，模擬路堤逐步填筑過程中，探究樁長對樁頂沉降影響規(guī)律。研究表明：隨著樁長的增加，樁頂面最大沉降量不斷減小，但過大的樁長對路基坡腳附近的沉降控制貢獻(xiàn)較小。

關(guān)鍵詞 軟基處理；素混凝土樁；有限元數(shù)值模擬

中圖分類號 U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0115-04

0 引言

我國南部沿海高速公路建設(shè)區(qū)域內(nèi)有大面積的軟土地層，軟弱地層主要為淤泥質(zhì)土和軟塑狀黏土，其含水量高、孔隙比大、壓縮模量小、承載力低[1]，若不能很好地處理此類軟弱地基，路基施工后易產(chǎn)生不均勻沉降和土體剪切失穩(wěn)等現(xiàn)象，從而影響高速公路的質(zhì)量，存在一定的安全隱患。因此，對軟土地基因地制宜地進(jìn)行加固處理，滿足路堤（尤其是高路堤及陡坡路堤）的承載力和沉降要求是必要的。

一般軟土地基的處理，主要采用換填和排水固結(jié)等手段[2]，但對于軟土層較厚、路基上部填筑高度較大的路段，通過換填和排水固結(jié)的方法提高地基承載力的能力有限，且需要耗費大量的時間和物力，往往不能滿足公路沉降和工期的要求。素混凝土樁復(fù)合地基因其承載力高、能有效減少地基變形、控制差異變形、適應(yīng)性廣、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。

眾多的專家學(xué)者對素混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行了大量的研究。唐喆[6]以素混凝土樁復(fù)核地基模型室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬試驗展開，研究了不同樁徑、不同樁間距、不同置換率下混凝土復(fù)合地基受力模型研究；高宇[7]基于模量折減法建立了自重濕陷性黃土場地素混凝土樁復(fù)合地基樁間土濕陷模型，分析了不同工況條件下樁間濕陷變形特性；王麗娟[8]通過現(xiàn)場監(jiān)測、有限元分析等手段，對大直徑素混凝土樁復(fù)合地基的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。

本文主要利用MIDAS GTS NX軟件建立數(shù)值模型，分析素混凝土樁樁長對路基沉降的影響，為后續(xù)類似工程的素混凝土樁設(shè)計提供高貴的研究成果。

1 工程概述

肇明至高明高速公路作為粵港澳大灣區(qū)一條重要紐帶，連接了肇明廣寧、高要及佛山高明地區(qū)，也是珠三角樞紐（廣州）新機場交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，其戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟價值不言而喻。這條高速公路對于加強區(qū)域聯(lián)系、促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展、提升城市競爭力等方面都具有重要意義。該項目的實施能夠推動肇慶及粵西地區(qū)的快速發(fā)展，為粵港澳大灣區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

肇明高速TJ01-1施工段MK0+271.2～MK0+563.0為軟土路基段，以魚塘、水溝為主，地基承載力不足，地質(zhì)概況如下：第一層為2.5 m厚黏性土，承載力容許值約60 kPa；第二層為6.6 m厚黏土，承載力容許值約90 kPa；第三層為6.5 m厚粉質(zhì)黏土，承載力容許值約120 kPa，持力層為中砂。軟土性質(zhì)和參數(shù)見表1。

在高速公路的建設(shè)過程中，面對天然軟土地基承載力不足的問題，采用素混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行軟基處理是一項科學(xué)且有效的解決方案。素混凝土樁復(fù)合地基通過將素混凝土樁與周圍土體共同作用，形成一個復(fù)合承載體系，能夠顯著提高地基的承載力和穩(wěn)定性，以滿足上部路基基礎(chǔ)持力層的要求。

該項目設(shè)計圖采用的素混凝土樁直徑為0.4 m，樁長為12.5 m，樁端嵌入持力層1.5 m。樁間距為1.8 m，采用正方形布置。具體布樁形式如圖1所示。

2 素混凝土樁復(fù)合地基建模及工況分析

2.1 素混凝土樁復(fù)合地基有限元模型

利用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行模型計算，模型如圖2所示。將模型兩側(cè)分別擴展20 m以消除邊界效應(yīng)。路基填筑高度為10 m，現(xiàn)場采用2 m沖擊碾壓，共分5次填筑。為了提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以0.25 m為單元格長度設(shè)置墊層，地基中部單元格設(shè)置為0.5 m，復(fù)合地基模型共計17 590個單元。

在模擬軟土地基處理工程中，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型來描述軟土地基層、路基填土層及墊層的力學(xué)行為，對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)見表2。而素混凝土樁由于其高剛性和低變形特性，采用線彈性模型進(jìn)行模擬。接觸形式相對應(yīng)選擇了“庫倫”摩擦。

2.2 分析工況

為了研究素混凝土樁長對地基沉降變形的影響規(guī)律，采用控制變量法建立了樁長分別為11.0 m、11.5 m、12.0 m、12.5 m、13.0 m的5個復(fù)合地基模型，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。具體模擬工況如表3所示。

3 素混凝土樁復(fù)合地基施工數(shù)值模擬

首先，進(jìn)行地基的初始地應(yīng)力平衡，這是為了模擬地基在自重作用下的初始狀態(tài)，并消除由此產(chǎn)生的位移。接著，激活素混凝土樁和樁頂墊層的對應(yīng)網(wǎng)格。最后，分五個階段（每階段2 m）激活填土網(wǎng)格，并選擇路基中心到路基坡腳處各樁樁頂為觀測點，可以全面反映路基在填筑過程中的沉降變形情況。圖3為布置樁長為11.5 m的素混凝土樁復(fù)核地基和未布置素混凝土樁2種不同工況下路基沉降量的變化曲線。觀測結(jié)果顯示：無論是否設(shè)置素混凝土樁，路基中心樁頂?shù)某两盗孔畲?，且隨著離路基中心點距離的增大，沉降量逐漸減小，坡腳處沉降量達(dá)到最小值。

沉降量對比：在未設(shè)素混凝土樁的情況下，路基中心處的沉降量達(dá)到了0.393 m，而設(shè)置素混凝土樁后，這一數(shù)值顯著降低到0.052 m，降低了86.8%。同樣地，坡腳處的沉降量也從0.034 m降低到0.009 m，降低了73.53%。這表明素混凝土樁在減小地基沉降方面發(fā)揮了巨大作用。

作用機制：素混凝土樁通過其高剛性和承載力，有效地將上部荷載傳遞到更深的土層中，從而減小了地基的壓縮變形。同時，樁與樁之間的土體也受到了樁的約束作用，使得土體的側(cè)向變形受到限制，進(jìn)一步減小了地基的沉降。

圖4為當(dāng)素混凝土樁的長度為11.5 m時，復(fù)合地基樁頂沉降隨填土高度增加而變化的規(guī)律。

從圖4可以看出，隨著路基填土高度的逐步增加。素混凝土樁樁頂?shù)某两盗恳渤尸F(xiàn)出逐步上升的趨勢。

圖4還表明，路基坡腳位置的沉降增加值與路基中心位置相比變化較小，且隨著路基填土高度的上升，相鄰樁頂之間的沉降量變化范圍也在不斷擴大。同時，由于地基土體的非均質(zhì)性和樁體布置的不均勻性，路基底部的沉降差異會逐漸累積并擴大。

4 素混凝土樁對路基沉降的影響分析

考慮樁端打入持力層的長度0～2 m，保持路基填土高度為10 m不變，分析素混凝土樁長為11.0 m、11.5 m、12.0 m、12.5 m、13.0 m時，路基沉降的變化規(guī)律。路基的填筑高度為10 m時，在保持打入持力層長度及路基填土高度為10 m不變的條件下，不同樁長條件下的路基沉降的變化規(guī)律如圖5所示。

4.1 樁長對路基中心沉降的影響

隨著樁的長度增大，路基中心位置的樁頂沉降逐步降低。具體趨勢如下：樁長為11.0 m時，中心處的沉降量為56.5 mm；樁長為11.5 m時，中心處的沉降量為51.7 mm；樁長為12.0 m時，中心處的沉降量為47.5 mm；樁長為12.5m時，中心處的沉降量為44.9 mm；樁長為13.0 m時，中心處的沉降量為41.9mm。

這一趨勢表明，增加樁長可以有效降低路基中心的沉降量，因為更長的樁能夠更深入地穿透軟土層，將荷載傳遞到更堅實的持力層上，從而提高了地基的承載能力。特別地，當(dāng)樁長從11 m增加到11.5 m時，沉降量變化最大，這主要是因為11 m的樁長可能未完全嵌入持力層，導(dǎo)致樁的承載性能未充分發(fā)揮。

4.2 樁長對坡腳沉降的影響

與路基中心相比，坡腳處的樁沉降量變化較小。具體數(shù)據(jù)為：樁長為11.0 m時，坡腳處的沉降量為9.4 mm；樁長為11.5 m時，坡腳處的沉降量為8.6 mm；樁長為12.0 m時，坡腳處的沉降量為8.1 mm；樁長為12.5 m時，坡腳處的沉降量為7.8 mm；樁長為13.0 m時，坡腳處的沉降量為7.3 mm。

數(shù)據(jù)分析得出：增加樁長對坡腳沉降的改善作用有限。適當(dāng)增加素混凝土樁嵌入持力層的深度，可以在一定程度上提升樁的承載能力，從而降低地基沉降量。然而，也應(yīng)注意到樁長增加帶來的成本增加和施工難度。因此，在實際工程中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、工程要求和經(jīng)濟效益等因素綜合考慮，確定合理的樁長。

此外，考慮路基中心與坡腳的沉降差異，應(yīng)嚴(yán)格限制路基中心附近的素混凝土樁的長度，以確保中心區(qū)域的沉降得到有效控制。同時，可以適當(dāng)縮短坡腳附近的樁長，以降低成本并避免不必要的浪費。

綜上所述，素混凝土樁的長度對路基沉降具有顯著影響，特別是在路基中心區(qū)域。通過合理設(shè)計樁長，可以有效控制地基沉降，提高道路工程的穩(wěn)定性和安全性。

5 結(jié)論

該文以肇明高速TJ01-1施工段MK0+271.2～MK0+563 素混凝土樁復(fù)合地基路段為研究對象，利用MIDAS GTS NX軟件建立了數(shù)值模型，深入分析了設(shè)樁與否對路基沉降量的變化規(guī)律，以及設(shè)樁情況下，素混凝土樁樁長對路基沉降的影響，研究成果為類似工程的設(shè)計提供了寶貴的參考依據(jù)，主要結(jié)論闡述如下。

（1）對比未設(shè)素混凝土樁的軟土路基段與設(shè)樁后的路基段發(fā)現(xiàn)，設(shè)樁后路基的沉降量相比未設(shè)樁的軟土路基段有了顯著的減少。

（2）在素混凝土樁復(fù)合地基中，路基的沉降量隨著填土高度的增加而發(fā)生一系列變化：①沉降量隨填土高度增加而增加；②由于路基的荷載分布存在差異性，路基中心線的沉降量會大于坡腳處的沉降量；③隨著路基填土高度的增加，相鄰樁頂間的沉降量變化幅度不斷增大；④路基填筑高度越大，路基底部的差異沉降就越明顯。

（3）不同樁長工況下的樁頂沉降變化趨勢相似：路基中心處沉降量最大，坡腳處沉降量最小。樁端嵌入持力層的深度越大，樁側(cè)摩擦阻力越大，復(fù)合地基沉降量越小。樁長對坡腳位置的沉降量變化的影響并不顯著，應(yīng)嚴(yán)格限制路基中心附近的素混凝土樁的長度，并適當(dāng)縮短坡腳附近的樁長。

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