□文/李曉鵬

濱海地區(qū)道路軟土地基加固效果研究

□文/李曉鵬

濱海地區(qū)軟土分布非常廣泛，軟土天然含水率高、孔隙比大，在軟土上修建的道路工程，若地基處理不當(dāng)，往往出現(xiàn)過大的沉降，引起道路病害。水泥攪拌樁復(fù)合地基法由于工期短，處理效果好，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合天津?yàn)I海地區(qū)某道路工程，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)水泥攪拌樁處理軟土地基進(jìn)行研究，分析了水泥攪拌樁樁長(zhǎng)、樁徑及樁間距離對(duì)軟土地基加固效果的影響。研究表明，水泥攪拌樁復(fù)合地基法處理濱海軟土地基具有良好的效果，較為適用于天津?yàn)I海地區(qū)的軟基處理。

濱海地區(qū)；道路工程；軟土地基；水泥攪拌樁

天津地處華北平原的北部，東臨渤海，區(qū)域地勢(shì)平坦，分布有大量淤泥或淤泥質(zhì)土等軟土。在天然地基上直接修建市政道路工程，往往會(huì)遇到路基沉降不滿足變形設(shè)計(jì)要求的問題，需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理。濱海地區(qū)軟土地基常用的處理方法有深層攪拌法、強(qiáng)夯固結(jié)法、排水固結(jié)法（真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法）等。結(jié)合天津當(dāng)?shù)剀浲恋鼗庸探?jīng)驗(yàn)，水泥攪拌樁法應(yīng)用較為廣泛。

水泥攪拌樁法處理后的地基屬于柔性樁復(fù)合地基，主要是利用深層攪拌機(jī)械，在地基深處將原位土與水泥等固化劑材料進(jìn)行攪拌，形成抗壓強(qiáng)度比天然土強(qiáng)度高得多的水泥加固土體，與原位土共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載。

本文采用MARC有限元分析軟件，建立有限元數(shù)值模型，模擬水泥攪拌樁樁長(zhǎng)、樁徑及樁間距離變化情況下路基沉降的變化規(guī)律，分析對(duì)軟土地基加固效果的影響。

1 有限元模型建立

1.1 工程地質(zhì)條件

1）①人工填土層。人工堆積，根據(jù)填土所包含的成分，本層又可以分為以下2個(gè)亞層：

（1）①1雜填土，層厚約0.40～2.70 m，層底標(biāo)高為0.24～2.62 m，主要在道路沿線表層，雜色，含生活垃圾、石子、磚塊、碎石等；

（2）①2素填土，層厚約0.40～4.50 m，層底標(biāo)高為3.29～-8.73 m，主要分布在耕地、魚塘之間，褐色～灰黃色，以粘性土為主，可塑狀態(tài)，局部硬塑狀態(tài)，含鐵質(zhì)、植物根系等。

2）②灰黑色淤泥層。層厚約0.50～3.40 m，層底標(biāo)高-1.94～1.76 m，主要分布在現(xiàn)有河、浜塘處，含腐植質(zhì)、雜物，味臭，工程地質(zhì)差。

3）④灰黃色粘土，第I陸相層。為河床～河漫灘相沉積，層厚約為0.50～3.20 m，層底標(biāo)高約為-2.50～1.76 m，呈可塑狀態(tài)，含氧化鐵，局部為粉質(zhì)粘土。

4）⑥第I海相層。為淺海相沉積。根據(jù)土的不同物理性質(zhì)，本層又可以分為6個(gè)亞層：

（1）⑥1灰色淤泥質(zhì)粘土，層厚約為1.10～7.20 m，層底標(biāo)高約為-8.00～-0.99 m，含云母、有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑，局部為粉質(zhì)粘土，流塑狀態(tài)，高壓縮性；

（2）⑥11灰色粉質(zhì)粘土夾粉土，層厚約為0.52～3.50 m，層底標(biāo)高約為-7.14～-2.29 m，含云母、夾粉土較多，呈透鏡體狀，軟塑狀態(tài)，中等壓縮；

（3）⑥2灰色粉質(zhì)粘土，層厚約為0.80～8.20 m，層底標(biāo)高約為-12.10～-4.95 m，含云母、有機(jī)質(zhì)局部為粘土，呈流塑～軟塑，中～高壓縮性；

（4）⑥21灰色粉土，層厚約為0.50～1.60 m，層底標(biāo)高約為-9.66～-5.85 m，含云母，呈透鏡體狀，呈稍密狀，分布不連續(xù)；

（5）⑥3灰色粉質(zhì)粘土，層厚約為0.90～4.30 m，層底標(biāo)高約為-13.26～-8.52 m，含有機(jī)質(zhì)、夾少量粉粉土，呈軟塑狀，中～高壓縮性；

（6）⑥4灰色粉土，層厚約為0.60～5.20 m，層底標(biāo)高約為-15.34～-9.18 m，含云母、夾少量粘性土，呈稍密狀。

5）⑦灰白～灰褐色粉質(zhì)粘土，第II陸相層。為沼澤相沉積，層厚約為0.40～4.30m，層底標(biāo)高約為-15.89～-9.49 m，主要揭示為粉質(zhì)粘土，局部夾少量粉土，灰白色～灰褐色，含腐植質(zhì)，頂部夾灰黑色泥炭薄層，呈可塑狀，中等壓縮。

6）⑧第II陸相層。為河床～河漫灘相沉積，根據(jù)土的不同物理性質(zhì)，本層又可以分為以下3個(gè)亞層：

（1）⑧1灰黃～褐黃色粉質(zhì)粘土，厚度約為0.44～5.60 m，層底標(biāo)高為-18.92～-13.06 m，含氧化鐵、夾少量粉土，呈可塑狀，中等壓縮；

（2）⑧21黃褐～褐黃色粉土，厚度約為2.00～9.20 m，層底標(biāo)高為-25.66～-14.53 m，含氧化鐵、夾少量粘性土，局部為粉砂，呈中密～密實(shí)，中等壓縮；

（3）⑧22褐黃色粉質(zhì)粘土夾粉土，厚度約為3.30～10.00 m，層底標(biāo)高為-25.66～-17.43 m，含鐵錳結(jié)核、夾粉土較多，呈可塑狀，中等壓縮。

1.2 幾何模型

基于路基的對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，只建立路基右半幅的模型。路基頂面寬15 m，填土高度4 m，路基邊坡按1∶1.5放坡，路堤坡腳至模型右邊緣的距離為20 m，模型全寬41 m，沿道路縱向取10 m進(jìn)行研究。根據(jù)地質(zhì)資料并考慮模型計(jì)算簡(jiǎn)便，對(duì)地基土層進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，共分為3層：4 m素填土，10 m淤泥質(zhì)粘土，10 m粉質(zhì)粘土。以樁長(zhǎng)14 m，樁徑0.6 m，樁間距2 m為例，其幾何模型見圖1。

圖1 幾何模型

1.3 本構(gòu)模型與邊界條件

MARC軟件中提供的屈服準(zhǔn)則有Von.Mises屈服準(zhǔn)則、Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則等，巖土體在變形過程中，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系呈非線性，為跟蹤加載歷史求位移、應(yīng)變和應(yīng)力的全量，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，本構(gòu)關(guān)系采用增量形式來(lái)描述。

計(jì)算模型近似為半空間無(wú)限體，對(duì)于計(jì)算模型邊界條件，將模型下部底面及豎直側(cè)面X、Y、Z方向位移固定。

1.4 有限元建模

單元?jiǎng)澐植捎昧骟w八結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，把實(shí)體離散成有限元單元時(shí)，考慮研究的需要，盡可能加密水泥攪拌樁及樁周土體單元，由近到遠(yuǎn)，由密到疏過渡，這樣既可確保計(jì)算精度又節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。道路軟土地基加固有限元分析模型見圖2。

圖2 有限元模型

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

道路路基填土重度為17.5 kN/m3，水泥攪拌樁及土體參數(shù)見表1。

表1 有限元分析模型材料參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)MARC有限元軟件計(jì)算，提取路基中心線處的路基沉降，其不同樁長(zhǎng)、樁徑及樁距情況下的分析結(jié)果。

1）樁長(zhǎng)變化分析。、計(jì)算模型樁徑0.6 m，樁間距離2 m時(shí)，分析水泥攪拌樁布置形式為梅花形和正方形兩種情況下，樁長(zhǎng)變化對(duì)路基沉降的影響，見圖3。

圖3 不同樁長(zhǎng)時(shí)路基沉降

2）樁徑變化分析。計(jì)算模型樁長(zhǎng)14 m，樁間距離2 m時(shí)，分析水泥攪拌樁布置形式為梅花形和正方形兩種情況下，樁徑變化對(duì)路基沉降的影響，見圖4。

圖4 不同樁徑時(shí)路基沉降

3）樁距變化分析。計(jì)算模型樁長(zhǎng)14 m，樁徑0.6 m時(shí)，分析水泥攪拌樁布置形式為梅花形和正方形兩種情況下，樁間距離變化對(duì)路基沉降的影響，見圖5。

圖5 不同樁距時(shí)路基沉降

由圖3-圖5可以看出，樁徑0.6 m，樁間距離2 m時(shí)，隨著樁長(zhǎng)的增加，路基的沉降值變小，以梅花形布置為例，樁長(zhǎng)10 m時(shí)，路基中心線處的沉降值為11.5 cm，樁長(zhǎng)為16 m時(shí)，沉降值為10.8 cm，沉降減小了6%；樁長(zhǎng)14 m，樁間距離2 m時(shí)，隨著樁徑的增加，路基的沉降值變小，以梅花形布置為例，樁徑0.6 m時(shí)，路基中心線處的沉降值為10.9 cm，樁徑1.2 m時(shí)，沉降值為7.3 cm，沉降減小了33%；樁長(zhǎng)14 m，樁徑0.6 m時(shí)，隨著樁距的增加，路基的沉降值變大，以梅花形布置為例，樁距1.4 m時(shí)，路基中心線處的沉降值為9.1 cm，樁距2 m時(shí)，沉降值為10.9 cm，沉降增加了20%；在其他條件相同的情況下，水泥攪拌樁采用梅花形布置相較于正方形布置，對(duì)軟土地基的加固效果更好，路基沉降值可以減少2%～5%。

3 結(jié)論

1）通過增加水泥攪拌樁樁長(zhǎng)、樁徑以及減小樁間的距離都可以提高軟土地基的加固效果，但從分析數(shù)據(jù)可以看出，改變樁徑和樁間距離對(duì)加固效果的影響較大，表明在一定條件下，適當(dāng)增加攪拌樁樁徑或減小樁間距離是較為經(jīng)濟(jì)有效的辦法。

2）在其他條件相同的情況下，水泥攪拌樁宜采用梅花形布置，相較于正方形布置，路基中心線處的沉降值可以減少2%～5%。

3）水泥攪拌樁復(fù)合地基法處理濱海地區(qū)軟土地基具有良好的加固效果，較為適用于天津?yàn)I海地區(qū)的軟基處理。

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U416.1

C

1008-3197（2015）06-68-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.024

2015-10-27

李曉鵬/男，1987年出生，助理工程師，碩士，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院天津分院，從事道路設(shè)計(jì)工作。