摘要：為研究水泥攪拌樁加固軟土路基的效果，文章基于有限元方法，利用PLAXIS軟件建立二維數(shù)值模型，對不同水泥攪拌樁樁體參數(shù)變化下的軟土地基沉降進行分析，并得出相關(guān)結(jié)論：A-D點的沉降變化規(guī)律基本一致，沿著水平面從左至右，豎向位移依次減小，隨著累計時間的增加，豎向總位移不斷增大，最大水平位移出現(xiàn)在邊坡頂端處；水泥攪拌樁處理后軟土地基的沉降量顯著減小，提高了地基承載力及穩(wěn)定性；水泥攪拌樁的剛度、樁長、樁間距的變化均會對地基沉降量造成影響。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁；軟土路基；有限元；沉降

中文分類號：U416.1+1A150464

0引言

隨著“十四五”規(guī)劃以及“一帶一路”倡議的實施，我國交通工程的建設(shè)在穩(wěn)固推進，高速公路的總里程數(shù)迅速增加，已經(jīng)形成一個較為系統(tǒng)的高速公路網(wǎng)。截至目前，我國高速公路總里程高達15×104 km，投資額將近12 000億元。江蘇、福建、廣東等廣泛分布軟土的地區(qū)，處理深厚軟土區(qū)地基是高速公路修建過程中的重難點。為保障高速公路修建工作的順利推進，研究水泥攪拌樁對軟土路基的加固效果尤為關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外學(xué)者對高速公路軟土路基進行了大量研究。Jie Han等［1］基于有限元數(shù)值模擬軟件PLAXIS對新老路基的沉降特性以及水平變形規(guī)律進行研究。Werasak Raongjant等［2］研究了水泥樁在受到橫向荷載作用時的力學(xué)響應(yīng)特征以及破壞特性，提出H鋼的使用增強了樁側(cè)承載力以及延性。李文強等［3］利用ABAQUS軟件對施工過程進行模擬，分析軟土路基施工對臨近管線的影響，研究表明與坡腳的距離不同，管線的變形以及采用的保護措施也不同。宋旭明等［4］以江蘇南沿江城際鐵路白茆河特大橋工程為例，將現(xiàn)場原位試驗與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，得出了m值的變化特征，隨著承臺位移的增加，m值不斷降低，兩者曲線呈冪函數(shù)的變化。柏楊等［5］對水泥攪拌樁加固效果進行分析，得出了河道工程中軟土地基的抗剪強度指標，同時基于瑞典條分法和簡化Bishop法對河道邊坡穩(wěn)定性進行研究。劉智等［6］以珠海深厚軟土區(qū)工程為例，通過多種預(yù)測方法對軟土路基沉降進行預(yù)測，結(jié)果表明對數(shù)法gt;雙曲線法gt;指數(shù)法gt;星野法，同時通過對比工程實際沉降情況，發(fā)現(xiàn)對數(shù)法預(yù)測更符合工程實際。劉超［7］對軟土地區(qū)典型地層預(yù)制樁進行優(yōu)化，提出合理的樁型以及其余設(shè)計參數(shù)，在科學(xué)、安全的前提下節(jié)約成本。盧蘭萍等［8］基于Midas GTS軟件，研究了水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基對于軟基的加固效果，結(jié)果表明CFG樁加固后地基沉降量較天然地基減小了13.6 cm。

然而，上述研究主要集中于軟土地基變形沉降等方面，較少涉及水泥攪拌樁加固軟土路基的效果評價［9-10］。因此，本文在前人對軟土地基研究的基礎(chǔ)上，進一步考慮水泥攪拌樁的加固效果，通過PLAXIS軟件進行數(shù)值模擬，對水泥攪拌樁加固軟土路基的效果進行評價，同時對復(fù)合地基沉降變形影響因素進行分析。該研究可為軟土地區(qū)高速公路的修建提供借鑒。

1工程背景

1.1工程概況

本文以實際工程項目為例，該項目位于深圳至岑溪高速公路路段，該路段是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，路線全長40.05 km，主線為雙向四車道。通過實地鉆孔可知，該地區(qū)主要分布有素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)類土、礫砂、圓礫等。

1.2軟土危害

軟土廣泛分布于我國東南沿海地區(qū)，根據(jù)成因分為五類：濱海型、河灘型、谷底型、長期浸泡型、湖泊型。軟土具有高壓縮性、低抗剪強度、低透水性，同時由于高速公路具有分布范圍廣、施工技術(shù)難度較大、結(jié)構(gòu)多為條形等特點，不可避免地經(jīng)過軟土區(qū)時必須對軟土路基進行處理。圖1所示為軟土地基主要存在的問題。

2有限元模型的建立

2.1PLAXIS軟件介紹

PLAXIS作為應(yīng)用相當廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時具有很明顯的優(yōu)勢，比如軟件可以提供大量巖土材料常用的本構(gòu)模型，

同時還可以對振動荷載下建筑物的力學(xué)特征、基坑開挖支護、隧道掘進等進行模擬分析，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡便等。其工作流程如圖2所示。

針對該工程，PLAXIS軟件具有下列應(yīng)用優(yōu)勢：

（1）可提供路堤填筑過程中的土體硬化本構(gòu)模型。

（2）可以模擬填筑過程中路堤固結(jié)（分階段施工）。

（3）可以模擬軟土地基中地下水的滲流特性。

（4）具有強大的前處理與后處理功能。

2.2本構(gòu)關(guān)系

2.2.1土體本構(gòu)模型

由于土體只考慮臨界條件下的破壞模式，因此土體選用彈塑性理論模型；巖-土材料則選用較為常規(guī)的摩爾-庫侖本構(gòu)模型。

2.2.2水泥攪拌樁本構(gòu)模型

水泥攪拌樁為3D模型，本文采用的是PLAXIS 2D有限元數(shù)值模擬軟件，因此要對樁模型進行簡化處理，用板模型替代樁模型。水泥攪拌樁主要是通過影響樁-土作用力，提高樁體剛度、支撐上部荷載以加固土體，進而達到良好的治理效果。

2.3細觀參數(shù)標定

細觀參數(shù)的確定影響著數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，因此如何確定數(shù)值模擬中的細觀參數(shù)極為關(guān)鍵。同時，由于PLAXIS軟件并未給出細觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系表達式，因此本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范、高速公路設(shè)計資料和工程地質(zhì)手冊，得到相應(yīng)力學(xué)參數(shù)取值，如表1、表2所示。

2.4模型的建立

根據(jù)實際勘察資料將軟土地基分為種植土（2 m）、淤泥（6 m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（10 m）。地下水位位于水平面下1 m。水泥攪拌樁樁長為15 m，樁間距為1.2 m。模型邊界采用靜力條件約束，在模型水平兩側(cè)以及模型底部施加約束。如圖3所示。

2.5分階段施工

該試驗路段地基土多為淤泥質(zhì)土，孔隙水處于飽和狀態(tài)，因此可忽略地下水滲流對工程的影響。由于路堤的填筑過程需分階段進行，將初始階段定為樁施工后14 d，每一個施工段的填筑部位嚴格按照施工記錄設(shè)定，再根據(jù)程序?qū)ζ溥M行適當調(diào)整，進而將路堤填筑過程分為多階段。

3路堤填筑位移及穩(wěn)定性分析

通過PLAXIS軟件對水泥攪拌樁加固軟土路基后路堤填筑的水平位移、豎向位移變化以及水泥攪拌樁處理前后的地基沉降進行分析。

3.1豎向位移

利用PLAXIS軟件對復(fù)合地基進行仿真模擬，如下頁圖4所示為路堤填筑工后豎向沉降變形規(guī)律。

由圖4可知，地基最大沉降量約為163.2 mm，豎向位移較小，呈階梯狀分布，沿著坡腳向下，其沉降的豎向位移不斷減小。

A～D點的沉降變化規(guī)律基本一致，沿著水平面從左至右，豎向位移依次減小，隨著累計時間的增加，豎向總位移不斷增大。但4個點位的沉降值差異較大，A點與D點相差將近55 mm，這說明工程中地基會發(fā)生不均勻沉降，設(shè)計時應(yīng)當充分考慮該現(xiàn)象，避免不均勻沉降的發(fā)生。

3.2水平位移

水平位移最大為24.9 mm，最大位移發(fā)生在路堤邊坡頂端，與實測值較為接近，說明采用PLAXIS軟件模擬結(jié)果較為準確。

3.3穩(wěn)定性分析

如圖5所示為采用水泥攪拌樁處理后地基的沉降量以及未經(jīng)水泥攪拌樁處理的地基沉降量對比曲線。

由圖5可知，經(jīng)水泥攪拌樁處理過的復(fù)合地基沉降量明顯小于未處理時的地基沉降量，經(jīng)處理后的地基沉降量僅為原始沉降的1/2，說明水泥攪拌樁有效提高了地基承載能力。

同時，可以發(fā)現(xiàn)在填筑初期兩者沉降差距較小，但隨著累計時間的增加，原始地基沉降顯著增加，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是本次工點所處位置地基軟土多為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，承載力與穩(wěn)定性均較差，前期由于兩種地基發(fā)生固結(jié)沉降，因此兩者前期沉降較為接近，后期原始地基受上部荷載作用發(fā)生整體下沉，而處理后地基由于水泥攪拌樁的作用下沉幅度較小。故利用水泥攪拌樁處理后，地基承載力與穩(wěn)定性明顯提高。

4地基沉降影響因素分析

由前文可知，水泥攪拌樁處理軟土地基后，地基承載能力顯著提高。為保證工程的經(jīng)濟效益，需研究水泥攪拌樁加固地基的根本原因。本節(jié)采用剛度、樁長、樁間距三個控制變量對水泥攪拌樁進行研究，探究其提高地基承載力的情況。表3所示為自變量取值。

4.1剛度

為研究水泥攪拌樁的剛度對地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過改變水泥攪拌樁的剛度，研究不同剛度不同位置下復(fù)合地基的沉降變形情況，如圖6所示。

由圖6可知，當水泥攪拌樁剛度恒定時，離中心線距離越大，復(fù)合地基沉降量逐漸減?。辉谕晃恢脮r，隨著樁的剛度增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。當剛度為0.8 MPa時，地基沉降最大值為173.8 mm；當剛度為1.0 MPa時，地基沉降最大值為165.4 mm；當剛度為1.2 MPa時，地基沉降最大值為159.6 mm。由此可見，在某一區(qū)間內(nèi)，水泥攪拌樁剛度的變化無法顯著提高地基承載力。

4.2樁長

為研究水泥攪拌樁的樁長對地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過改變水泥攪拌樁的樁長，研究不同樁長不同位置下復(fù)合地基的沉降變形情況，如圖7所示。

由圖7可知，當水泥攪拌樁樁長恒定時，離中心線距離越大，復(fù)合地基沉降量越??；在同一位置時，隨著樁的樁長增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。樁長為15 m時，其最大沉降量為158.7 mm；當樁長為12 m，其最大沉降量為237.6 mm，兩者的沉降量差值為78.9 mm，差距較大。出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于水泥攪拌樁與淤泥土之間的摩阻力較小，難以承受上部荷載作用，15 m與12 m水泥攪拌樁的沉降差值＞50％，而15 m與18 m水泥攪拌樁的沉降差值只有12％，雖然18 m的水泥攪拌樁控制沉降效果更好，但經(jīng)濟效益較低，因此從適用性及經(jīng)濟性分析，選用15 m的水泥攪拌樁更適合該實際工程。

4.3樁間距

為研究水泥攪拌樁的樁間距對地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過改變水泥攪拌樁的樁間距，研究不同樁間距不同位置下復(fù)合地基的沉降變形情況，如圖8所示。

由圖8可知，當水泥攪拌樁樁間距恒定時，離中心線距離越大，復(fù)合地基沉降量越?。辉谕晃恢脮r，隨著樁的樁間距增大，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。當樁間距為0.9 m時，最大沉降量為164.5 mm；當樁間距為1.2 m時，最大沉降量為158.9 mm；當樁間距為1.5 m時，最大沉降量為153.8 mm。而通常情況下，樁間距越大，地基沉降量越大，出現(xiàn)該特殊情況是由于樁身與土體相互作用的結(jié)果，隨著樁間距的增加，樁土應(yīng)力比在逐漸減小，樁間土發(fā)揮的作用越大，其地基沉降量就越小，反之其沉降量就越大。

但樁間距并不是越大越好，當樁間距處于某一區(qū)間時，由于樁土作用的充分發(fā)揮，其沉降值較小，若超出該區(qū)間，水泥攪拌樁可能無法充分發(fā)揮作用，使沉降量增大，因此選用合適的樁間距十分關(guān)鍵。

5結(jié)語

本文通過對水泥攪拌樁加固軟土路基效果進行研究，采用PLAXIS軟件，分析不同工況下路堤填筑后地基的沉降規(guī)律，以及不同水泥攪拌樁樁體參數(shù)變化對地基承載力的影響，該研究為今后高速公路軟土路基的建設(shè)提供了相應(yīng)參考。

主要結(jié)論如下：

（1）經(jīng)水泥攪拌樁處理過的復(fù)合地基沉降量明顯小于未處理時的地基沉降量，經(jīng)處理后的地基沉降量僅為原始沉降量的1/2。

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基的承載力與穩(wěn)定性較差，地基前期會出現(xiàn)固結(jié)沉降現(xiàn)象。

（3）水泥攪拌樁的剛度、樁長、樁間距的變化均會對地基沉降量造成影響，樁間距的增大會使沉降量增大，主要是由于樁土應(yīng)力比增大，樁間土發(fā)揮的作用減小，進而使地基沉降量增大。

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作者簡介：龐輝（1987—），工程師，主要從事公路行業(yè)設(shè)計工作。