趙 鵬 譚 威 馮 超

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830006)

城市道路建設(shè)過程中經(jīng)常遇到軟土等特殊情況，需要采用路基加固的手段進(jìn)行處理。碎石樁作為一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的軟土路基加固方法之一， 在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。所謂碎石樁，是以碎石為主要材料制成的復(fù)合地基加固樁，近年來，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，主要有：劉望坤、王健等[1-2]結(jié)合城市道路軟土地基設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)實(shí)例， 分析了碎石樁復(fù)合地基承載力和單樁極限承載力的關(guān)系， 總結(jié)出了檢測(cè)碎石樁單樁極限承載力的靜載試驗(yàn)方法， 并通過對(duì)碎石樁單樁極限承載力進(jìn)行的單樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了采用碎石樁復(fù)合地基加固地基的處理方法是可行的；趙翠英、劉鋒等[3-4]介紹了碎石樁復(fù)合地基在二維數(shù)值分析中平面應(yīng)變和軸對(duì)稱單元的等效轉(zhuǎn)換，通過一個(gè)算例對(duì)比了兩者的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果顯示兩種方法均可反映碎石樁復(fù)合地基的沉降及樁間土的固結(jié)情況， 這為預(yù)測(cè)碎石樁復(fù)合地基的加固效果和修正設(shè)計(jì)參數(shù)提供了參考；周振海、萬忠倫等[5-6]結(jié)合實(shí)際工程介紹了碎石樁與CFG 樁組合處理軟土地基的施工技術(shù)和質(zhì)量要求，并將CFG 樁、碎石樁的靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比較， 結(jié)果表明加固后的復(fù)合地基承載力和沉降量滿足工程設(shè)計(jì)的要求， 該方法對(duì)淤泥軟土地基的處理具有實(shí)際價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景；張鵬、孫平等[7-8]以福州至平潭高鐵松下車站為依托，采用彈塑性有限元法， 在模擬列車移動(dòng)荷載的基礎(chǔ)上對(duì)軟土路基在采用CFG 樁加固前后的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，研究了豎向速度、加速度及壓應(yīng)力的一般規(guī)律。本文主要以某城市道路工程為例， 采用有限元軟件ABAQUS 建立數(shù)值模型， 重點(diǎn)分析了采用碎石樁加固和未采用加固措施前后地基的豎向沉降、水平位移和豎向應(yīng)力變化規(guī)律，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某軟土地區(qū)道路工程路基擬采用碎石樁復(fù)合地基加固方法。路基寬度設(shè)計(jì)值為28.0 m，高度為3.5 m，坡率按照1∶1.5 設(shè)計(jì)，施工時(shí)采用分層鋪填碾壓的方法。 碎石樁長為10 m，樁徑為0.8 m，樁間距為3.0 m，為了分析碎石樁復(fù)合地基的處理效果，本文采用數(shù)值模擬的方法。土體從上至下包括4 部分，依次為路堤填土、砂礫墊層、加固區(qū)和持力層，其中一排碎石樁的數(shù)量為13 根，圖1 為路堤結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 路堤結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值建模

圖2 為采用大型有限元軟件ABAQUS 軟件建立的數(shù)值模型圖。 由于對(duì)稱性，僅選取右半側(cè)進(jìn)行建模分析，路基的頂部寬度取值為14.0 m，高度為3.5 m，坡率為1∶1.5，施工時(shí)采用分層鋪填碾壓的方法。路堤坡底半幅寬度為19 m，模型整體寬度為40 m，模型長度取10 m，模型整體高度為23.5 m，砂礫墊層厚度為0.3 m，材質(zhì)為中密砂，中間夾鋪土工格柵，厚度為2 mm。 碎石樁總長為10.0 m，采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，樁間距為3.0 m，樁徑為0.8 m。 建模時(shí)，碎石樁的軸向剛度取3.2×106kN/m，抗彎剛度取7.0×104kN/m，等效厚度取0.50 m，重度取25 kN/m3，泊松比取0.2，彈性模量取100 MPa。 如圖2(a)所示，除上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移約束，模型均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，表1 給出了各種材料的物理力學(xué)參數(shù)，路堤填土和砂礫墊層排水類型均為排水，其他為不排水。荷載形式為車輛荷載， 主要通過加載在路面單元節(jié)點(diǎn)上的集中力進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，本文模擬的車輛速度為60 km/h，荷載在每個(gè)單元作用時(shí)間取0.015 s，具體參見文獻(xiàn)[9]。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

本文主要對(duì)未采取處理措施和采取處理措施后的地基沉降、水平位移和豎向應(yīng)力進(jìn)行分析。

3.1 豎向沉降數(shù)值分析

路基沉降是反映路基安全狀態(tài)的最重要的指標(biāo)之一。 圖3 為未采取處理措施和采取碎石樁加固處理措施后的路基沉降云圖， 規(guī)定向上方向?yàn)檎较颉?由圖3 可知，路基表面正中心沉降最大，往兩側(cè)沉降逐漸減小。 對(duì)于未采取加固措施時(shí)，路基最大沉降值為12.83 mm；采取碎石樁加固處理措施后，路基最大沉降值為10.12 mm。相比于采取加固措施之前， 采取碎石樁加固后路基最大沉降減小了21.1%。

圖3 路堤沉降云圖

為了更加詳盡地分析采取處理措施前后的沉降，如圖4 所示，在地基(即路堤坡底水平面)位置設(shè)置9 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 由圖4 可知，在地基中心沉降量最大，未采取措施時(shí)最大沉降值為11.31 mm，采取碎石樁加固后最大沉降值為8.42 mm。 采取碎石樁加固之后相比于未采取措施時(shí)地基沉降減小了25.7%。

圖4 采取處理措施前后地基沉降對(duì)比曲線

綜上可知， 碎石樁復(fù)合地基加固措施對(duì)于減小地基沉降效果顯著，采取碎石樁加固之后，上部荷載首先通過砂礫墊層均勻地下傳到復(fù)合地基上，由于碎石樁的存在，其自身剛度遠(yuǎn)大于樁間土，因此在上部荷載的作用下，大部分的荷載將由碎石樁承擔(dān)。

3.2 水平位移數(shù)值分析

路基水平位移是反映路基安全狀態(tài)的又一重要指標(biāo)。 圖5 示出了未采取處理措施和采取碎石樁加固處理措施后的路基水平位移云圖，規(guī)定以向右方向?yàn)檎较颉Ｓ蓤D5 可知， 最大沉降發(fā)生在距離坡腳較近的地基下側(cè)， 對(duì)于未采取加固措施時(shí)， 路基最大水平位移值為2.11 mm；采取碎石樁加固處理措施后，路基最大水平位移值為1.33 mm。 相比于采取加固措施之前，采取碎石樁加固后路基最大水平位移減小了38.1%。

圖5 路堤水平位移云圖

為了更加詳盡地分析采取處理措施前后的地基水平位移，如圖6 所示，在地基平面上設(shè)置9 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 由圖6 可知，未采取措施時(shí)最大水平位移值為1.32 mm，采取碎石樁加固后最大水平位移值為1.01 mm， 最大位移值發(fā)生在距離地基邊界6 m 附近。 采取碎石樁加固之后相比于未采取措施時(shí)地基水平位移減小了22.7%。

綜上可知，施作碎石樁復(fù)合地基加固措施之后，會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生一定的水平約束作用， 有效地減小了地基水平位移，這對(duì)于路基安全是非常有利的。

3.3 豎向應(yīng)力數(shù)值分析

圖6 采取處理措施前后地基水平位移對(duì)比曲線

應(yīng)力可以反映路基的受力狀態(tài)， 能夠側(cè)面說明路基的安全狀態(tài)。 圖7 示出了未采取處理措施和采取碎石樁加固處理措施后的路基豎向應(yīng)力云圖。由圖7 可知，對(duì)于未采取加固措施時(shí)， 路基最大豎向應(yīng)力值為10.1 kPa；采取碎石樁加固處理措施后， 路基最大豎向應(yīng)力值為30.9 kPa。 相比于采取加固措施之前，采取碎石樁加固后路基最大豎向應(yīng)力值增大了2.1 倍， 這與碎石樁增大了土體的抗壓能力有關(guān)。此外，對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可知，采取碎石樁加固措施之后， 碎石樁頂?shù)呢Q向應(yīng)力值遠(yuǎn)大于附近土體的豎向應(yīng)力， 也說明碎石樁能夠很好地起到加固作用。

圖7 路堤豎向應(yīng)力云圖

圖8 為采取處理措施前后地基豎向應(yīng)力對(duì)比曲線，由圖8 可知，未采取措施時(shí)，地基中心處豎向應(yīng)力最大，往兩側(cè)逐漸減小，而采取碎石樁加固后，地基最大應(yīng)力發(fā)生變化，呈現(xiàn)出上下波動(dòng)變化，主要在碎石樁部位豎向應(yīng)力變大，在樁間土部位豎向應(yīng)力減小。這說明由于碎石樁的存在，因此在上部荷載的作用下，碎石樁承擔(dān)大部分的荷載，起到較好的加固作用。

圖8 采取處理措施前后地基豎向應(yīng)力對(duì)比曲線

4 結(jié)論

本文主要以某城市道路工程為例， 采用有限元軟件ABAQUS 建立數(shù)值模型， 重點(diǎn)分析了采用碎石樁加固和未采用加固措施前后地基的豎向沉降、 水平位移和豎向應(yīng)力變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)路基表面正中心沉降最大，往兩側(cè)沉降逐漸減小，相比于采取加固措施之前， 采取碎石樁加固后路基最大沉降減小了21.1%，地基最大沉降減小了25.7%。

(2)施作碎石樁復(fù)合地基加固措施會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生一定的水平約束作用， 使得采取碎石樁加固之后相比于未采取措施時(shí)地基水平位移減小了22.7%， 路基最大水平位移減小了38.1%。

(3)采取碎石樁加固措施之后，碎石樁頂?shù)呢Q向應(yīng)力值遠(yuǎn)大于附近土體的豎向應(yīng)力， 相比于采取加固措施之前，采取碎石樁加固后路基最大豎向應(yīng)力值增大了2.1 倍。

(4)碎石樁的存在，致使其自身剛度遠(yuǎn)大于樁間土，因此在上部荷載的作用下，大部分的荷載將由碎石樁承擔(dān)，說明碎石樁能夠很好地起到加固作用。