陳俊彥

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 太原 030032)

軟土地基的承載力弱、滲透性差、壓縮性大，需采取加固措施才能使其承載力達(dá)到公路設(shè)計(jì)要求。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)加固軟土地基的方法展開(kāi)了大量研究。洪景春分析了采用粉噴樁處理埋置厚度大于3 m的軟土地基的加固機(jī)理、施工流程及施工效果。謝騰驍采用粉噴樁處理公路軟土路基，并對(duì)其加固效果進(jìn)行了數(shù)值分析。杜毅研究了不同碎石樁埋深、碎石樁間距、地基彈性模量及路堤填方高度對(duì)路堤變形的影響，分析了路堤位移和應(yīng)力變化規(guī)律。袁玉卿等采用碎石樁復(fù)合地基處治方法減小粉砂土拼接路基的沉降，并通過(guò)數(shù)值模擬分析了碎石樁長(zhǎng)度及模量、樁間土模量及黏聚力對(duì)沉降的影響。軟土地基加固方法多樣，針對(duì)不同地質(zhì)條件應(yīng)選擇最有效的加固方法。該文依托某高速公路軟土路段，通過(guò)數(shù)值分析研究粉噴樁加固軟土地基的土體應(yīng)力和變形規(guī)律及加固效果，為粉噴樁應(yīng)用于類似地質(zhì)條件軟土地基加固提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路全長(zhǎng)102.4 km，路面寬19.5 m，雙向四車道。路堤填筑高度6 m，分6層填筑，每次填筑高度1 m。共有21處軟土路段，最長(zhǎng)2.1 km，最短160 m，共約7.8 km。軟土路段的地表淺部軟土層基本呈不規(guī)則條帶狀分布，以粉質(zhì)黏土層為主，含少量粉土層及軟弱土層。土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 軟土路段的土層參數(shù)

由于軟土路段的承載能力較低，為保障路基的安全，采用粉噴樁+碎石墊層進(jìn)行加固。粉噴樁長(zhǎng)8 m，樁徑0.5 m，樁間距1.5 m，呈梅花形布置，樁身強(qiáng)度≥750 kPa。路堤底部增設(shè)碎石墊層，厚度0.5 m。軟土層分布及樁體布置見(jiàn)圖1。

圖1 軟土層分布及樁體布置示意圖(單位：m)

2 建立有限元模型

以軟土路段某截面的土層分布和加固設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立數(shù)值模型。模型尺寸為長(zhǎng)42 m×寬10 m×高14 m，共包含4 176個(gè)單元、6 324個(gè)節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。模型中粉噴樁采用線彈性模型模擬，彈性模量為55 MPa，黏聚力為4.7 kPa，內(nèi)摩擦角為35°，泊松比為0.20。路基采用Drucker-Prager本構(gòu)模型模擬。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

分析過(guò)程遵循以下假定條件：不考慮活載作用，僅考慮土體自重的影響；粉噴樁、碎石墊層材料均視為同性均質(zhì)材料，土體視為理想彈塑性體；地基、樁體、路基及土體間的接觸面均視為完全連續(xù)。

約束條件：模型左右兩側(cè)設(shè)置為自由界面，對(duì)前后兩側(cè)進(jìn)行水平位移約束，地基底部施加水平和豎向位移約束。

3 路堤填筑過(guò)程中應(yīng)力及變形分析

運(yùn)用有限元數(shù)值模型，對(duì)路堤填筑過(guò)程中地基樁土體應(yīng)力、地表沉降及樁體變形變化進(jìn)行分析。

3.1 樁土體應(yīng)力

分別計(jì)算路堤填筑高度為2、4及6 m時(shí)地基豎向應(yīng)力，不同路堤填筑高度下地基豎向應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。

圖3 不同路堤填筑高度下地基豎向應(yīng)力分布(單位：Pa)

由圖3可知：在不同路堤填筑高度下，土體豎向應(yīng)力分布大致呈斜條狀，應(yīng)力大小沿地基表面向地基底部逐漸增大，且斜度隨著填筑高度的增大而增大。樁體豎向應(yīng)力遠(yuǎn)大于樁間土體應(yīng)力，其中路基底部中心線位置的樁土體豎向應(yīng)力最大，靠近路基兩側(cè)的樁土體豎向應(yīng)力較小，且隨著路堤填筑高度的增大，越靠近路基中心線的樁土體豎向應(yīng)力增幅越大。填筑高度達(dá)到6 m時(shí)，地基中心樁體和樁間土體承受的豎向應(yīng)力均達(dá)到最大值，分別為275和125 kPa。

3.2 地基表面沉降

分別計(jì)算路堤填筑高度為2、4及6 m時(shí)地基沉降，不同路堤填筑高度下地基沉降見(jiàn)圖4。

圖4 不同路堤填筑高度下地基沉降

由圖4可知：隨著路堤填筑高度的增大，地基表面沉降呈較大增大趨勢(shì)，且越靠近路基底部中心線樁土體沉降越大。填筑高度為2 m時(shí)，路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降出現(xiàn)在28 m處，約為34.4 mm；外側(cè)地基出現(xiàn)較小沉降。填筑高度為4 m時(shí)，路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降出現(xiàn)在24 m處，約為48.7 mm；外側(cè)地基出現(xiàn)較小程度隆起，最大幅度為2.1 mm。填筑高度達(dá)到6 m時(shí)，路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降出現(xiàn)在21 m處，約為66.7 mm；外側(cè)地基隆起幅度增大，最大達(dá)4.4 mm。表明隨著路堤填筑高度的增大，地基表面最大沉降最終出現(xiàn)在路基底部中心線，路基外側(cè)地基后出現(xiàn)一定程度隆起。

3.3 樁體位移分析

計(jì)算路堤填筑完成后樁體位移，不同位置樁體位移變化見(jiàn)圖5。

由圖5可知：路堤填筑完成后，不同位置加固樁的水平位移變化不同，靠近路堤底部中心位置樁體主要承受豎向壓力，樁體發(fā)生較大豎向位移，但水平位移較小，且越靠近路基中心樁體水平變形越小；靠近路基外側(cè)樁體主要承受側(cè)向壓力，樁體出現(xiàn)較大水平位移，主要表現(xiàn)為彎曲變形，且越靠近路基兩側(cè)樁體水平位移越大，但豎向位移相對(duì)中心樁體小很多。表明不同位置加固樁具有不同的加固作用，合理設(shè)置樁體布置形式有利于地基加固。

圖5 路堤填筑完成后樁體水平位移化

4 粉噴樁加固效果分析

為研究粉噴樁加固高速公路軟土地基的效果，分別針對(duì)有無(wú)樁體加固的地基沉降和土體水平位移變化進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 地基沉降對(duì)比分析

分別計(jì)算路堤填筑高度為2、4及6 m，有無(wú)加固樁時(shí)地基表面沉降，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同填筑高度下有無(wú)加固樁時(shí)地基表面沉降

由圖6可知：在路堤填筑過(guò)程中，無(wú)粉噴樁加固的地基沉降始終大于有樁加固地基，且隨著路堤填筑高度的增大，無(wú)樁加固的地基沉降增長(zhǎng)趨勢(shì)較大，主要表現(xiàn)為路基內(nèi)側(cè)地基下沉幅度較大，路基外側(cè)地基出現(xiàn)隆起。采用粉噴樁加固后，隨著路堤填筑高度的增大，路基外側(cè)地基隆起現(xiàn)象有所收斂，填筑高度為2、4及6 m時(shí)路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降分別減小11.3%、16.4%和22.7%，路堤填筑完成后地基沉降得到較大程度減小，表明采用粉噴樁加固可有效降低軟土地基的沉降。

4.2 土體水平位移對(duì)比分析

分別計(jì)算路堤填筑完成后有無(wú)加固樁時(shí)土體水平變形，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 有無(wú)樁加固時(shí)土體水平位移

由圖7可知：在路堤填筑過(guò)程中，無(wú)粉噴樁加固土體水平位移大于有樁加固土體，且越靠近路基底部?jī)蓚?cè)土體水平位移差異越大，而靠近路基底部中心位置土體水平位移差異不大。原因是中心樁體和土體主要受到豎向應(yīng)力作用，其產(chǎn)生的水平變形較小。采用粉噴樁加固后，中心樁體9#的水平位移減小約8.1%，減小幅度較小，而路基底部?jī)蓚?cè)樁體1#和5#的水平位移分別減小約18.2%、12.7%，減小幅度較大。表明采用粉噴樁加固對(duì)于減小路基底部?jī)蓚?cè)土體水平位移效果更明顯。

5 結(jié)論

(1) 土體豎向應(yīng)力分布大致呈斜條狀，應(yīng)力大小沿地基表面向地基底部逐漸增大，且斜度隨著路堤填筑高度的增大而增大。

(2) 隨著路堤填筑高度的增大，地基表面最大沉降最終出現(xiàn)在路基底部中心線，路基外側(cè)地基后出現(xiàn)一定程度隆起。

(3) 路堤填筑完成后，靠近路堤底部中心位置的樁體主要承受豎向壓力，越靠近路基中心樁體水平變形越??；靠近路基外側(cè)的樁體主要承受側(cè)向壓力，越靠近路基兩側(cè)樁體水平位移越大。

(4) 采用粉噴樁加固后，路基外側(cè)地基隆起現(xiàn)象有所收斂，路基內(nèi)側(cè)地基沉降最大減小22.7%，有效降低了軟土地基沉降變形。

(5) 粉噴樁加固對(duì)于減小路基底部?jī)蓚?cè)土體水平變形的效果顯著，對(duì)于減小路基底部中心樁體水平變形的效果較弱。