摘要：軟土地區(qū)公路地基沉降控制一直是公路設(shè)計(jì)中的難題。為明確預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基對軟土地基沉降的影響規(guī)律，文章采用PLAXIS建立有限元計(jì)算模型，對加固前后的地基沉降進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：采用預(yù)應(yīng)力管樁加固的地基，在路堤范圍內(nèi)能有效減小地基沉降，在路堤范圍外能有效抵抗隆起；在未采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行加固時，地基土水平位移最大值出現(xiàn)在距路堤中心7 m處，但當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力管樁加固后，由于預(yù)應(yīng)力管樁對地基土水平位移的限制，在靠近預(yù)應(yīng)力管樁加固的邊緣，地基土的水平位移才達(dá)到峰值；增加樁長、減小樁間距、增加填土的密度和內(nèi)摩擦角、設(shè)置樁帽等措施都可以有效減小軟土地基的沉降；樁身剛度及格柵抗拉強(qiáng)度并不會對軟土地基的沉降產(chǎn)生顯著影響，故對軟土地基進(jìn)行加固時，可以選用剛度較低的樁身和抗拉強(qiáng)度較低的格柵。該研究結(jié)果可為預(yù)應(yīng)力管樁對軟土地基的加固設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：軟土地基；預(yù)應(yīng)力管樁；加固技術(shù)；沉降規(guī)律

中圖分類號：U416.212 A 05 017 3

0 引言

軟土在我國廣泛分布，有些道路不可避免地要穿過軟土地區(qū)。當(dāng)在軟土地區(qū)修建公路時，地基沉降控制就顯得尤為重要。

關(guān)于降低軟土地基的沉降，可以采用在軟土中加入樁或板來降低軟土地基的沉降，如劉杰、賀玉平等［1-2］研究了在軟土中加入支撐結(jié)構(gòu)物來對地基沉降進(jìn)行控制，發(fā)現(xiàn)在軟土層中嵌入竹節(jié)樁或者微型預(yù)制樁可有效減少軟土地基的沉降并顯著提高軟土地基的承載力。代茂華等［3］研究了土工合成材料柔性碎石樁對軟土地基變形的影響，發(fā)現(xiàn)采用該種加固方法可以有效減小軟土地基的不均勻沉降。另外，還可以采用提高軟土地基自身強(qiáng)度的方法來減小地基沉降，如韓中原、張小飛等［4-5］采用預(yù)壓法對軟土地基進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)當(dāng)排水板滲透系數(shù)大、排水板間距小、真空壓力沿深度衰減率小時，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基效果很好。還有許多學(xué)者采用化學(xué)改良的方法對軟土地基進(jìn)行加固，如李岳峰、劉鎣鎣、劉爽等［6-8］采用水泥對軟土地基進(jìn)行了加固，研究發(fā)現(xiàn)水泥對于軟土地基加固十分適用，能顯著降低工后沉降，且與其他加固技術(shù)相比，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。但學(xué)者們對預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基的研究相對較少，該方面的研究鮮有報道。

基于此，本文通過PLAXIS軟件建立有限元計(jì)算模型，對預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基的加固效果進(jìn)行研究，研究成果可為預(yù)應(yīng)力管樁對軟土地基的加固設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 工程概況及模型的建立

1.1 工程概況

本文以某市新建公路為研究對象，該項(xiàng)目采用雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時速為80 km/h，整體式路基寬度為42 m。由于新建公路所處地貌為內(nèi)陸沖積平原，且有河流位于新建公路的南北兩側(cè)，其地層主要由淤泥堆積而成，故采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基工藝對軟土地基進(jìn)行加固。

1.2 模型的建立

為研究預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基對軟土地基的加固效果，采用PLAXIS軟件建立有限元模型（如圖1所示），通過研究不同樁間距、不同樁長等參數(shù)，明確預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基對軟土地基沉降的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加固前后位移對比分析

采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基對軟土地基進(jìn)行加固前后的沉降變化曲線如下頁圖2所示。由圖2可知，采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基加固后，在路堤范圍內(nèi)，地基沉降顯著減小，但在路堤范圍外，地基沉降似乎沒有很大區(qū)別。此外，由于預(yù)應(yīng)力樁的存在，路基荷載傳至地基上以后，預(yù)應(yīng)力樁之間存在土拱，路基的荷載大部分由預(yù)應(yīng)力樁進(jìn)行承擔(dān)，故相較于未加固的工況，地基土中的附加應(yīng)力減小，地基沉降顯著減小。在距離路堤中心24 m處，區(qū)分預(yù)應(yīng)力管樁加固和不加固的兩種工況，其沉降位移沒有差異，但在距路堤中心24 m以外的地基，由于預(yù)應(yīng)力管樁承擔(dān)了大部分路基荷載，使路基荷載在水平方向上的傳遞減弱，故在采用預(yù)應(yīng)力管樁加固后路堤范圍外的地基，其隆起也會相應(yīng)地減小。所以采用預(yù)應(yīng)力管樁加固的地基，在路堤范圍內(nèi)能有效減小地基沉降，在路堤范圍外能有效抵抗隆起。

采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基對軟土地基進(jìn)行加固前后地基水平位移的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行加固后，地基土水平位移由未加固時的7.3 cm降為2.6 cm，路堤范圍內(nèi)地基土的水平位移顯著減小。此外，在未采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行加固時，地基土水平位移的最大值未出現(xiàn)在路堤中心及路堤坡腳處，而是出現(xiàn)在距路堤中心7 m處；當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力管樁加固后，由于預(yù)應(yīng)力管樁對地基土水平位移的限制，地基土的水平位移并不顯著，但是在靠近預(yù)應(yīng)力管樁加固的邊緣，其地基土的水平位移達(dá)到了峰值。地基土位于路堤范圍之外時，加固與未加固工況下的水平位移差距快速減小，在距離路堤中心30 m后，地基土的水平位移相同。

2.2 預(yù)應(yīng)力管樁對地基沉降的影響

不同預(yù)應(yīng)力管樁長度對地基沉降的影響如圖4所示，由圖4可知，隨著樁長的增加，在相同位置處，地基沉降逐漸減小。以路堤中心處的沉降進(jìn)行分析可知，當(dāng)樁長由16 m減小至14 m時，路堤沉降由6.0 cm增至6.8 cm，增加了0.8 cm；當(dāng)樁長繼續(xù)減小至12 m時，路堤沉降增至8.3 cm，增加了1.5 cm，故隨著樁長的減小，路堤中心處沉降的增加在逐漸加速。這一方面是由于減小了樁長，樁身周圍的摩阻力減小，致使樁承擔(dān)的附加應(yīng)力減小而地基土承擔(dān)的附加應(yīng)力增大，故路堤中心處的沉降逐漸增大；另一方面是由于樁長的減小使得原本位于持力層的樁由于樁長減小使得持力層轉(zhuǎn)變，對樁的支撐效果減弱。此外，在路堤范圍內(nèi)，地基土沉降隨著與路堤中心距離的增加而緩慢減小，但超過預(yù)應(yīng)力管樁的加固范圍，即超過路堤范圍后，地基沉降開始快速減小。

不同樁間距對地基沉降的影響如圖5所示。由圖5可知，樁間距增加時地基沉降在逐漸增大，這是由于預(yù)應(yīng)力管樁間距越小，樁間土附加應(yīng)力的增加也就越小，沉降就越小。但似乎增大樁間距對地基土沉降的速率沒有影響，如在路堤中心處，樁間距由2.0 m增大到2.5 m時，路堤中心處沉降由6.5 cm增加至7.4 cm，增大了0.9 cm；同樣地，當(dāng)樁間距由2.5 m增大到3.0 m時，路堤中心處沉降由7.4 cm增加至8.3 cm，路堤中心處沉降依然是增加了0.9 cm。此外，由于地基附加應(yīng)力主要來自于路堤荷載，在路堤范圍外，地基附加應(yīng)力快速減小，地基沉降也在快速減小。由于樁間距越小時在相同位置處的地基附加應(yīng)力越小，向路堤范圍外傳遞出的附加應(yīng)力也越小，所以，樁間距越小時路堤范圍外的地基沉降也越小。

不同樁身剛度對地基沉降的影響如圖6所示。由圖6可知，不同樁身剛度時的地基沉降幾乎重合在一起，說明樁身剛度并不會對地基沉降產(chǎn)生影響。因此，在采用預(yù)應(yīng)力管樁對軟土地基進(jìn)行加固時，采用高標(biāo)號或低標(biāo)號混凝土進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管樁的施工對地基沉降沒有影響，但從節(jié)約成本的角度進(jìn)行考慮，可以使用低標(biāo)號混凝土進(jìn)行施工。

不同墊層厚度對地基土沉降的影響如圖7所示。由圖7可知，不同厚度的墊層對地基土的沉降并沒有顯著影響。墊層主要是將路堤荷載傳遞到預(yù)應(yīng)力管樁上，當(dāng)其厚度超過40 cm后，能將路堤荷載均勻地傳遞至預(yù)應(yīng)力管樁上，在傳力過程中并不會產(chǎn)生差異，故在采用預(yù)應(yīng)力管樁加固軟土地基時，墊層厚度可以適當(dāng)減薄。

不同抗拉強(qiáng)度格柵對地基沉降的影響如圖8所示。由圖8可知，使用不同抗拉強(qiáng)度的格柵，地基沉降并沒有顯著差異。這主要是由于將格柵用于軟土地基加固，并不會將格柵拉至斷裂破壞，而是僅產(chǎn)生很小的變形，不同抗拉強(qiáng)度格柵對土體產(chǎn)生的拉力相同或者相近，故使用不同抗拉強(qiáng)度的格柵并不會影響軟土地基的沉降變形。但從節(jié)省造價的角度出發(fā)，在采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行軟土地基的加固時，可以使用抗拉強(qiáng)度為1 MPa的格柵進(jìn)行施工。

樁間土密度不同時的地基沉降變化如圖9所示。由圖9可知，隨著樁間土密度的增加，地基沉降逐漸減小。這主要是由于隨著樁間土密度的增加，一方面由于密度提高后顆粒咬合更加緊密，顆粒之間的相對位置不易錯動，土體自身抗變形能力提高，地基土沉降減小；另一方面是由于樁間土密度的增加，預(yù)應(yīng)力管樁和樁間土的摩擦強(qiáng)度提高，在相同的相對位移情況下，密實(shí)度越高，樁土間的摩阻力越大，對地基土的支撐作用就越強(qiáng)，所以樁土之間摩阻力的增加也是地基土沉降減小的一個原因。由此可以說明，增加樁間土的密度，提高了土體自身抗變形能力，也提高了樁土之間的摩阻力，當(dāng)樁間土密度越高時，其地基土的沉降越小。

兩種內(nèi)摩擦角填土工況下的地基沉降如圖10所示。由圖10可知，隨著樁間填土內(nèi)摩擦角增大，地基沉降逐漸減小。這是因?yàn)樵黾訕堕g填土的內(nèi)摩擦角，使得土顆粒之間的摩擦強(qiáng)度提高，抗變形能力增加，故提高樁間土的內(nèi)摩擦角，地基沉降會相應(yīng)地減小。對于采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行軟土地基加固時，采用內(nèi)摩擦角大的填土可以有效地降低地基沉降。

預(yù)應(yīng)力管樁的樁帽對地基沉降的影響如后頁圖11所示。由圖11可知，在沒有樁帽的情況下，路堤中心處的地基沉降為9.5 cm；在有樁帽的情況下，路堤中心處的地基沉降為7.5 cm，降低了2 cm，這說明增加樁帽可以有效地減小地基沉降，且在相同位置處，有樁帽的工況均比沒有樁帽的工況沉降小。這主要是由于增加了樁帽，樁網(wǎng)之間的土拱得到了加強(qiáng)，地基土承擔(dān)的附加應(yīng)力減小，使地基沉降顯著降低。

3 結(jié)語

本文通過研究預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基對軟土地基的加固效果，對比分析了加固前后軟土地基沉降的變化規(guī)律，明確了預(yù)應(yīng)力管樁樁長、樁間距、樁身剛度、格柵抗拉強(qiáng)度、墊層厚度、填土密度、內(nèi)摩擦角及樁帽對地基沉降的影響，主要得到了以下結(jié)論：

（1）采用預(yù)應(yīng)力管樁加固的地基，在路堤范圍內(nèi)能有效減小地基沉降，在路堤范圍外能有效抵抗地基隆起。

（2）在未采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行加固時，地基土水平位移最大值出現(xiàn)在距路堤中心7 m處；當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力管樁加固后，由于預(yù)應(yīng)力管樁對地基土水平位移的限制，在靠近預(yù)應(yīng)力管樁加固的邊緣，其地基土的水平位移達(dá)到了峰值。

（3）增加樁長、減小樁間距、增加填土的密度和內(nèi)摩擦角，設(shè)置樁帽等措施都可以有效減小軟土地基的沉降。

（4）樁身剛度及格柵抗拉強(qiáng)度并不會對軟土地基的沉降產(chǎn)生顯著影響，故對軟土地基進(jìn)行加固時，可以選用剛度較低的樁身和抗拉強(qiáng)度較低的格柵。

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收稿日期：2022-12-20