摘要 素混凝土樁復合地基作為一種新式地基處理方式，具有結構簡單、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用，但目前素混凝土樁復合地基關于變形特性的研究尚不完善。該文以肇明高速TJ01-01標軟土路基為例，通過MIDAS GTS NX軟件建立數值模擬模型，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較小。

關鍵詞 軟基處理；素混凝土樁；有限元數值模擬

中圖分類號 U416 文獻標識碼 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區(qū)域內有大面積的軟土地層，軟弱地層主要為淤泥質土和軟塑狀黏土，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量，存在一定的安全隱患。因此，對軟土地基因地制宜地進行加固處理，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、適應性廣、經濟效益好等優(yōu)點，在工程建設中得到廣泛應用[3-5]。

眾多的專家學者對素混凝土樁復合地基進行了大量的研究。唐喆[6]以素混凝土樁復核地基模型室內試驗與數值模擬試驗展開，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合地基的力學特性進行了研究。

本文主要利用MIDAS GTS NX軟件建立數值模型，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）新機場交通網絡中的重要組成部分，其戰(zhàn)略地位和經濟價值不言而喻。這條高速公路對于加強區(qū)域聯(lián)系、促進經濟發(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)的經濟社會發(fā)展作出更大的貢獻。

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厚粉質黏土，承載力容許值約120 kPa，持力層為中砂。軟土性質和參數見表1。

在高速公路的建設過程中，面對天然軟土地基承載力不足的問題，采用素混凝土樁復合地基進行軟基處理是一項科學且有效的解決方案。素混凝土樁復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持力層的要求。

該項目設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 素混凝土樁復合地基建模及工況分析

2.1 素混凝土樁復合地基有限元模型

利用有限元數值模擬軟件MIDAS GTS NX進行模型計算，模型如圖2所示。將模型兩側分別擴展20 m以消除邊界效應。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。為了提高計算結果的準確性，以0.25 m為單元格長度設置墊層，地基中部單元格設置為0.5 m，復合地基模型共計17 590個單元。

在模擬軟土地基處理工程中，采用摩爾-庫倫本構模型來描述軟土地基層、路基填土層及墊層的力學行為，對應的力學參數見表2。而素混凝土樁由于其高剛性和低變形特性，采用線彈性模型進行模擬。接觸形式相對應選擇了“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個復合地基模型，以確保試驗結果的準確性和可比性。具體模擬工況如表3所示。

3 素混凝土樁復合地基施工數值模擬

首先，進行地基的初始地應力平衡，這是為了模擬地基在自重作用下的初始狀態(tài)，并消除由此產生的位移。接著，激活素混凝土樁和樁頂墊層的對應網格。最后，分五個階段（每階段2 m）激活填土網格，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。觀測結果顯示：無論是否設置素混凝土樁，路基中心樁頂的沉降量最大，且隨著離路基中心點距離的增大，沉降量逐漸減小，坡腳處沉降量達到最小值。

沉降量對比：在未設素混凝土樁的情況下，路基中心處的沉降量達到了0.393 m，而設置素混凝土樁后，這一數值顯著降低到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，使得土體的側向變形受到限制，進一步減小了地基的沉降。

圖4為當素混凝土樁的長度為11.5 m時，復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。素混凝土樁樁頂的沉降量也呈現(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。具體數據為：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。

數據分析得出：增加樁長對坡腳沉降的改善作用有限。適當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，應根據地質條件、工程要求和經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，應嚴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 結論

該文以肇明高速TJ01-1施工段MK0+271.2～MK0+563 素混凝土樁復合地基路段為研究對象，利用MIDAS GTS NX軟件建立了數值模型，深入分析了設樁與否對路基沉降量的變化規(guī)律，以及設樁情況下，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計提供了寶貴的參考依據，主要結論闡述如下。

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

（2）在素混凝土樁復合地基中，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，樁側摩擦阻力越大，復合地基沉降量越小。樁長對坡腳位置的沉降量變化的影響并不顯著，應嚴格限制路基中心附近的素混凝土樁的長度，并適當縮短坡腳附近的樁長。

參考文獻

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