蔡菁

摘 要：公路建設(shè)往往不可避免的遇到軟弱土地質(zhì)。必須進(jìn)行處理以保證路堤在施工和運(yùn)營(yíng)期間的穩(wěn)定性。鑒于此，筆者首先總結(jié)了軟土的工程性質(zhì)及處治原則，隨后分析了水泥攪拌樁的對(duì)軟土的加固機(jī)理和沉降計(jì)算方法，最后利用有限元軟件ANSYS建立計(jì)算模型，探討了樁長(zhǎng)對(duì)軟土地基沉降的影響效果，研究成果可為類(lèi)似的軟土地基設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：有限元;軟土地基;水泥攪拌站;處治效果

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，基礎(chǔ)交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基本成型，公路工程建設(shè)規(guī)模也逐年增大。我國(guó)軟土分布較為廣泛，公路建設(shè)里程長(zhǎng)，往往不可避免的遇到軟弱土地質(zhì)。在軟弱土層修建公路路基容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)、溜塌、路面縱向裂縫等病害，因此在處理軟土地基時(shí)首先要保證路堤在施工和運(yùn)營(yíng)期間的穩(wěn)定性[1]。目前國(guó)內(nèi)外工程人員在開(kāi)展軟土地基處理時(shí)往往是基于工程類(lèi)比法，參考以往項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可能造成一定程度的資源浪費(fèi)。因此，研究水泥土攪拌樁在軟基中處理效果具有十分重要的工程意義。

1 軟土處治原則

水泥攪拌樁具有施工速度快、承載力高、造價(jià)低等特點(diǎn)，在軟土地基處治中得到了廣泛應(yīng)用。但是地基所處位置存在較多孤石或堅(jiān)硬土層等，水泥攪拌樁不適用。

水泥攪拌樁在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)地勘資料進(jìn)行樁參數(shù)（樁長(zhǎng)、樁間距）的優(yōu)化，并遵循以下原則：

（1）滿(mǎn)足規(guī)范：規(guī)范是開(kāi)展軟土地基設(shè)計(jì)的依據(jù)，必須確保一般路基段、涵洞及通道路段、橋頭路基短的軟基沉降小于規(guī)范中的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示[2]：

表1 軟土地基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?? ?單位?? ?參數(shù)

工后沉降?? ?一般路段?? ?mm?? ?30

涵洞及通道路段?? ?mm?? ?20

橋頭路段?? ?mm?? ?10

（2）經(jīng)濟(jì)性：設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在確保軟土地基工后沉降的基礎(chǔ)上，對(duì)不同樁參數(shù)的復(fù)合地基開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性必選，選擇性?xún)r(jià)比高的樁長(zhǎng)和樁間距。

（3）方便施工：水泥攪拌樁的尺寸要確保施工的可行性，不得嚴(yán)重影響施工工期，比如樁長(zhǎng)不能過(guò)長(zhǎng)，樁間距不能過(guò)小。

2 水泥攪拌樁加固機(jī)理和沉降計(jì)算方法

2.1 水泥攪拌樁加固機(jī)理

水泥攪拌樁對(duì)軟土地基的加固機(jī)理可從微觀(guān)和宏觀(guān)兩個(gè)方面去分析，前者主要是指固化劑與軟土之間的化學(xué)反應(yīng)，改變了原狀土結(jié)構(gòu)，使軟土硬化，整體性和水穩(wěn)定性有明顯提高;后者主要指水泥攪拌樁的整體作用機(jī)制，即軟土地基與水泥攪拌樁形成復(fù)合地基，提高軟弱土承載力、降低其沉降變形，各種加固機(jī)理具體闡述如下[3]。

（1）碳酸化作用。水泥固化物中的氫氧化鈣會(huì)吸收水和空氣中的CO2，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3，化學(xué)反應(yīng)方程式如下，而CaCO3通常是不溶于水的，離子濃度不斷增加，使得碳酸化反應(yīng)速度逐漸變慢，直到停止。

Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O

水泥固化物碳酸化反應(yīng)對(duì)土體的增強(qiáng)作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，水泥中的若干礦物質(zhì)消耗土體中的水分反應(yīng)，形成硬骨架，提高土體強(qiáng)度;另一方面，水泥中的水化產(chǎn)物和土顆粒相互吸附，土顆粒逐漸增大，最終產(chǎn)生強(qiáng)度較高的化合物。

（2）承載力加強(qiáng)和降低沉降機(jī)理。水泥攪拌樁會(huì)和軟土共同形成復(fù)合地基，復(fù)合地基可以劃分成加固區(qū)地基與非加固區(qū)地基，此時(shí)水泥攪拌樁可以視作符合地基中的增加體。

在外部荷載作用下，地基中的水會(huì)排出，超孔隙水壓力會(huì)不斷消散。而水泥攪拌樁一般透水性較好，可作為排水通道，以縮短了排水距離，加快軟弱土的固結(jié)，從而提高土體的有效應(yīng)力和有效抗剪強(qiáng)度。

水泥攪拌樁的存在還會(huì)提高土體復(fù)合模量，而模量與土體抗變形能力成正比，即模量越大，土體的抗變形能力越強(qiáng)。在相同附加應(yīng)力作用下，復(fù)合地基壓縮變形會(huì)比未處理的軟弱土有大幅減小。

2.2 水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降計(jì)算

水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降由兩部分組成：樁體壓縮量和樁端持力層的壓縮量。復(fù)合地基沉降計(jì)算方法主要有壓縮模量法。

壓縮模量法計(jì)算沉降就是將水泥攪拌樁復(fù)合地基的加固區(qū)和非加固區(qū)視為整體，計(jì)算模量是采用復(fù)合地基當(dāng)量壓縮模量，再利用分層總和法求出沉降，計(jì)算步驟為：地基土分層（根據(jù)厚度、地下水等）→計(jì)算土層當(dāng)量壓縮模量→計(jì)算土層附加應(yīng)力→計(jì)算各層土的沉降并求和得到總沉降。

式中：Hi—第i層土分層厚度，m;—第i層土附加應(yīng)力，MPa;—第i層土當(dāng)量壓縮模量，MPa。其中壓縮模量的計(jì)算與地基壓力擴(kuò)散密切相關(guān)。

水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降計(jì)算后，還要進(jìn)行加固區(qū)軟弱下臥層承載力的驗(yàn)算，計(jì)算方法采用應(yīng)力擴(kuò)散法，計(jì)算公式如下：

式中：—軟弱下臥層頂面附加應(yīng)力，kPa;—軟弱下臥層頂面附加應(yīng)力，kPa;—軟弱下臥層頂面地基承載力修正值，kPa。

3 基于A(yíng)NSYS軟件的水泥攪拌樁復(fù)合地基計(jì)算

3.1 工程概括

為了準(zhǔn)確分析處理攪拌樁對(duì)軟弱土地基的加固效果，筆者以某高速公路項(xiàng)目為依托，利用有限元軟件ANSYS15.0建立計(jì)算模型，分析了軟弱土加固前后的沉降變化規(guī)律，以評(píng)價(jià)水泥攪拌樁的處理效果。

該高速公路路線(xiàn)全長(zhǎng)36公里、路基寬度27 m、雙向四車(chē)道、設(shè)計(jì)速度120 km/h，沿線(xiàn)存在大面積的軟土地基，設(shè)計(jì)人員擬采用水泥攪拌樁加固處理，水泥攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù)為：水泥攪拌樁的直徑為0.5 m，采用正三角形布置，樁間距為1.2 m，樁長(zhǎng)為變量，至少應(yīng)穿透軟弱土層。樁平面布置時(shí)，在錐坡坡腳、路堤坡腳等邊界線(xiàn)外增加一排。

3.2 軟土路基有限元模型建立

（1）簡(jiǎn)化條件。為了提高計(jì)算效率，水泥攪拌樁復(fù)合地基時(shí)的參數(shù)需要進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。比如水泥攪拌樁和周?chē)馏w都視作彈塑性體，屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫(kù)倫理論;比如忽略水泥攪拌樁施工期間的機(jī)械設(shè)備、人員、臨時(shí)荷載等因素。

（2）模型建立。為了提高計(jì)算的精確度，ANSYS軟件建立復(fù)合地基模型時(shí)均采用實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，樁基、樁周土體及網(wǎng)格劃分采用SOLID45 八結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元[4]，并對(duì)地基土表面的單位格尺寸進(jìn)行適當(dāng)加密，網(wǎng)格尺寸取0.5 m，其它位置網(wǎng)格尺寸取1 m，共劃分出單元3 826個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為4 218個(gè)，如圖1所示。

（3）邊界條件。模型計(jì)算過(guò)程中對(duì)軟土地基的左右邊界的X方向進(jìn)行約束，前后邊界的Y方向進(jìn)行約束，底面進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的全約束，頂面為自由邊界，可以向任意方向發(fā)生變形[5]。

3.3 復(fù)合地基沉降計(jì)算結(jié)果分析

樁長(zhǎng)是水泥攪拌樁復(fù)合地基計(jì)算時(shí)的重要參數(shù)，筆者分別取樁長(zhǎng)5 m、8 m、10 m、15 m、20 m來(lái)探討了樁長(zhǎng)對(duì)軟弱土地基沉降的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2：

計(jì)算結(jié)果表明：天然狀態(tài)下的軟土地基工后沉降為360 mm，使用水泥攪拌樁處治后，其沉降變形會(huì)明顯降低。在相同荷載作用下，隨著水泥攪拌樁樁長(zhǎng)的增加，地基沉降會(huì)降低，但是當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)10 m，復(fù)合地基的沉降就基本不再變化，這個(gè)長(zhǎng)度就是水泥攪拌樁的有效加固長(zhǎng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件ANSYS詳細(xì)探討了軟土地基的工程特征、水泥攪拌樁的加固機(jī)理和加固效果，主要得到以下幾方面結(jié)論：（1）水泥攪拌樁在軟土地基處治中應(yīng)用廣泛，但不適用于存在較多孤石或堅(jiān)硬土層區(qū)域。（2）水泥攪拌樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合地勘資料進(jìn)行樁長(zhǎng)、樁間距優(yōu)化，并遵循因地制宜、經(jīng)濟(jì)性、方便施工等原則。（3）水泥土攪拌樁對(duì)軟土地基的加固機(jī)理可從微觀(guān)和宏觀(guān)兩個(gè)方面去分析，即固化劑與軟土之間的化學(xué)反應(yīng)、水泥攪拌樁的整體作用機(jī)制。（4）隨著樁長(zhǎng)的增加，水泥攪拌樁對(duì)軟土地基的加固效果變好，但當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)某一臨界高度后沉降基本不再變化。

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