摘要：為研究水泥攪拌樁加固軟土路基的效果，文章基于有限元方法，利用PLAXIS軟件建立二維數(shù)值模型，對不同水泥攪拌樁樁體參數(shù)變化下的軟土地基沉降進行分析，并得出相關(guān)結(jié)論：A-D點的沉降變化規(guī)律基本一致，沿著水平面從左至右，豎向位移依次減小，隨著累計時間的增加，豎向總位移不斷增大，最大水平位移出現(xiàn)在邊坡頂端處；水泥攪拌樁處理后軟土地基的沉降量顯著減小，提高了地基承載力及穩(wěn)定性；水泥攪拌樁的剛度、樁長、樁間距的變化均會對地基沉降量造成影響。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁；軟土路基；有限元；沉降

中文分類號：U416.1+1A150464

0引言

隨著“十四五”規(guī)劃以及“一帶一路”倡議的實施，我國交通工程的建設(shè)在穩(wěn)固推進，高速公路的總里程數(shù)迅速增加，已經(jīng)形成一個較為系統(tǒng)的高速公路網(wǎng)。截至目前，我國高速公路總里程高達15×104 km，投資額將近12 000億元。江蘇、福建、廣東等廣泛分布軟土的地區(qū)，處理深厚軟土區(qū)地基是高速公路修建過程中的重難點。為保障高速公路修建工作的順利推進，研究水泥攪拌樁對軟土路基的加固效果尤為關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外學者對高速公路軟土路基進行了大量研究。Jie Han等［1］基于有限元數(shù)值模擬軟件PLAXIS對新老路基的沉降特性以及水平變形規(guī)律進行研究。Werasak Raongjant等［2］研究了水泥樁在受到橫向荷載作用時的力學響應特征以及破壞特性，提出H鋼的使用增強了樁側(cè)承載力以及延性。李文強等［3］利用ABAQUS軟件對施工過程進行模擬，分析軟土路基施工對臨近管線的影響，研究表明與坡腳的距離不同，管線的變形以及采用的保護措施也不同。宋旭明等［4］以江蘇南沿江城際鐵路白茆河特大橋工程為例，將現(xiàn)場原位試驗與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，得出了m值的變化特征，隨著承臺位移的增加，m值不斷降低，兩者曲線呈冪函數(shù)的變化。柏楊等［5］對水泥攪拌樁加固效果進行分析，得出了河道工程中軟土地基的抗剪強度指標，同時基于瑞典條分法和簡化Bishop法對河道邊坡穩(wěn)定性進行研究。劉智等［6］以珠海深厚軟土區(qū)工程為例，通過多種預測方法對軟土路基沉降進行預測，結(jié)果表明對數(shù)法gt;雙曲線法gt;指數(shù)法gt;星野法，同時通過對比工程實際沉降情況，發(fā)現(xiàn)對數(shù)法預測更符合工程實際。劉超［7］對軟土地區(qū)典型地層預制樁進行優(yōu)化，提出合理的樁型以及其余設(shè)計參數(shù)，在科學、安全的前提下節(jié)約成本。盧蘭萍等［8］基于Midas GTS軟件，研究了水泥粉煤灰碎石樁復合地基對于軟基的加固效果，結(jié)果表明CFG樁加固后地基沉降量較天然地基減小了13.6 cm。

然而，上述研究主要集中于軟土地基變形沉降等方面，較少涉及水泥攪拌樁加固軟土路基的效果評價［9-10］。因此，本文在前人對軟土地基研究的基礎(chǔ)上，進一步考慮水泥攪拌樁的加固效果，通過PLAXIS軟件進行數(shù)值模擬，對水泥攪拌樁加固軟土路基的效果進行評價，同時對復合地基沉降變形影響因素進行分析。該研究可為軟土地區(qū)高速公路的修建提供借鑒。

1工程背景

1.1工程概況

本文以實際工程項目為例，該項目位于深圳至岑溪高速公路路段，該路段是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，路線全長40.05 km，主線為雙向四車道。通過實地鉆孔可知，該地區(qū)主要分布有素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)類土、礫砂、圓礫等。

1.2軟土危害

軟土廣泛分布于我國東南沿海地區(qū)，根據(jù)成因分為五類：濱海型、河灘型、谷底型、長期浸泡型、湖泊型。軟土具有高壓縮性、低抗剪強度、低透水性，同時由于高速公路具有分布范圍廣、施工技術(shù)難度較大、結(jié)構(gòu)多為條形等特點，不可避免地經(jīng)過軟土區(qū)時必須對軟土路基進行處理。圖1所示為軟土地基主要存在的問題。

2有限元模型的建立

2.1PLAXIS軟件介紹

PLAXIS作為應用相當廣泛的通用有限元軟件，在處理巖土工程問題時具有很明顯的優(yōu)勢，比如軟件可以提供大量巖土材料常用的本構(gòu)模型，

同時還可以對振動荷載下建筑物的力學特征、基坑開挖支護、隧道掘進等進行模擬分析，軟件的交互性與很多軟件相比更好，操作較為簡便等。其工作流程如圖2所示。

針對該工程，PLAXIS軟件具有下列應用優(yōu)勢：

（1）可提供路堤填筑過程中的土體硬化本構(gòu)模型。

（2）可以模擬填筑過程中路堤固結(jié)（分階段施工）。

（3）可以模擬軟土地基中地下水的滲流特性。

（4）具有強大的前處理與后處理功能。

2.2本構(gòu)關(guān)系

2.2.1土體本構(gòu)模型

由于土體只考慮臨界條件下的破壞模式，因此土體選用彈塑性理論模型；巖-土材料則選用較為常規(guī)的摩爾-庫侖本構(gòu)模型。

2.2.2水泥攪拌樁本構(gòu)模型

水泥攪拌樁為3D模型，本文采用的是PLAXIS 2D有限元數(shù)值模擬軟件，因此要對樁模型進行簡化處理，用板模型替代樁模型。水泥攪拌樁主要是通過影響樁-土作用力，提高樁體剛度、支撐上部荷載以加固土體，進而達到良好的治理效果。

2.3細觀參數(shù)標定

細觀參數(shù)的確定影響著數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，因此如何確定數(shù)值模擬中的細觀參數(shù)極為關(guān)鍵。同時，由于PLAXIS軟件并未給出細觀力學參數(shù)與宏觀力學參數(shù)之間的定量關(guān)系表達式，因此本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范、高速公路設(shè)計資料和工程地質(zhì)手冊，得到相應力學參數(shù)取值，如表1、表2所示。

2.4模型的建立

根據(jù)實際勘察資料將軟土地基分為種植土（2 m）、淤泥（6 m）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（10 m）。地下水位位于水平面下1 m。水泥攪拌樁樁長為15 m，樁間距為1.2 m。模型邊界采用靜力條件約束，在模型水平兩側(cè)以及模型底部施加約束。如圖3所示。

2.5分階段施工

該試驗路段地基土多為淤泥質(zhì)土，孔隙水處于飽和狀態(tài)，因此可忽略地下水滲流對工程的影響。由于路堤的填筑過程需分階段進行，將初始階段定為樁施工后14 d，每一個施工段的填筑部位嚴格按照施工記錄設(shè)定，再根據(jù)程序?qū)ζ溥M行適當調(diào)整，進而將路堤填筑過程分為多階段。

3路堤填筑位移及穩(wěn)定性分析

通過PLAXIS軟件對水泥攪拌樁加固軟土路基后路堤填筑的水平位移、豎向位移變化以及水泥攪拌樁處理前后的地基沉降進行分析。

3.1豎向位移

利用PLAXIS軟件對復合地基進行仿真模擬，如下頁圖4所示為路堤填筑工后豎向沉降變形規(guī)律。

由圖4可知，地基最大沉降量約為163.2 mm，豎向位移較小，呈階梯狀分布，沿著坡腳向下，其沉降的豎向位移不斷減小。

A～D點的沉降變化規(guī)律基本一致，沿著水平面從左至右，豎向位移依次減小，隨著累計時間的增加，豎向總位移不斷增大。但4個點位的沉降值差異較大，A點與D點相差將近55 mm，這說明工程中地基會發(fā)生不均勻沉降，設(shè)計時應當充分考慮該現(xiàn)象，避免不均勻沉降的發(fā)生。

3.2水平位移

水平位移最大為24.9 mm，最大位移發(fā)生在路堤邊坡頂端，與實測值較為接近，說明采用PLAXIS軟件模擬結(jié)果較為準確。

3.3穩(wěn)定性分析

如圖5所示為采用水泥攪拌樁處理后地基的沉降量以及未經(jīng)水泥攪拌樁處理的地基沉降量對比曲線。

由圖5可知，經(jīng)水泥攪拌樁處理過的復合地基沉降量明顯小于未處理時的地基沉降量，經(jīng)處理后的地基沉降量僅為原始沉降的1/2，說明水泥攪拌樁有效提高了地基承載能力。

同時，可以發(fā)現(xiàn)在填筑初期兩者沉降差距較小，但隨著累計時間的增加，原始地基沉降顯著增加，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是本次工點所處位置地基軟土多為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，承載力與穩(wěn)定性均較差，前期由于兩種地基發(fā)生固結(jié)沉降，因此兩者前期沉降較為接近，后期原始地基受上部荷載作用發(fā)生整體下沉，而處理后地基由于水泥攪拌樁的作用下沉幅度較小。故利用水泥攪拌樁處理后，地基承載力與穩(wěn)定性明顯提高。

4地基沉降影響因素分析

由前文可知，水泥攪拌樁處理軟土地基后，地基承載能力顯著提高。為保證工程的經(jīng)濟效益，需研究水泥攪拌樁加固地基的根本原因。本節(jié)采用剛度、樁長、樁間距三個控制變量對水泥攪拌樁進行研究，探究其提高地基承載力的情況。表3所示為自變量取值。

4.1剛度

為研究水泥攪拌樁的剛度對地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過改變水泥攪拌樁的剛度，研究不同剛度不同位置下復合地基的沉降變形情況，如圖6所示。

由圖6可知，當水泥攪拌樁剛度恒定時，離中心線距離越大，復合地基沉降量逐漸減小；在同一位置時，隨著樁的剛度增大，復合地基沉降量逐漸減小。當剛度為0.8 MPa時，地基沉降最大值為173.8 mm；當剛度為1.0 MPa時，地基沉降最大值為165.4 mm；當剛度為1.2 MPa時，地基沉降最大值為159.6 mm。由此可見，在某一區(qū)間內(nèi)，水泥攪拌樁剛度的變化無法顯著提高地基承載力。

4.2樁長

為研究水泥攪拌樁的樁長對地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過改變水泥攪拌樁的樁長，研究不同樁長不同位置下復合地基的沉降變形情況，如圖7所示。

由圖7可知，當水泥攪拌樁樁長恒定時，離中心線距離越大，復合地基沉降量越??；在同一位置時，隨著樁的樁長增大，復合地基沉降量逐漸減小。樁長為15 m時，其最大沉降量為158.7 mm；當樁長為12 m，其最大沉降量為237.6 mm，兩者的沉降量差值為78.9 mm，差距較大。出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于水泥攪拌樁與淤泥土之間的摩阻力較小，難以承受上部荷載作用，15 m與12 m水泥攪拌樁的沉降差值＞50％，而15 m與18 m水泥攪拌樁的沉降差值只有12％，雖然18 m的水泥攪拌樁控制沉降效果更好，但經(jīng)濟效益較低，因此從適用性及經(jīng)濟性分析，選用15 m的水泥攪拌樁更適合該實際工程。

4.3樁間距

為研究水泥攪拌樁的樁間距對地基沉降的影響，保持其他條件不變，通過改變水泥攪拌樁的樁間距，研究不同樁間距不同位置下復合地基的沉降變形情況，如圖8所示。

由圖8可知，當水泥攪拌樁樁間距恒定時，離中心線距離越大，復合地基沉降量越?。辉谕晃恢脮r，隨著樁的樁間距增大，復合地基沉降量逐漸減小。當樁間距為0.9 m時，最大沉降量為164.5 mm；當樁間距為1.2 m時，最大沉降量為158.9 mm；當樁間距為1.5 m時，最大沉降量為153.8 mm。而通常情況下，樁間距越大，地基沉降量越大，出現(xiàn)該特殊情況是由于樁身與土體相互作用的結(jié)果，隨著樁間距的增加，樁土應力比在逐漸減小，樁間土發(fā)揮的作用越大，其地基沉降量就越小，反之其沉降量就越大。

但樁間距并不是越大越好，當樁間距處于某一區(qū)間時，由于樁土作用的充分發(fā)揮，其沉降值較小，若超出該區(qū)間，水泥攪拌樁可能無法充分發(fā)揮作用，使沉降量增大，因此選用合適的樁間距十分關(guān)鍵。

5結(jié)語

本文通過對水泥攪拌樁加固軟土路基效果進行研究，采用PLAXIS軟件，分析不同工況下路堤填筑后地基的沉降規(guī)律，以及不同水泥攪拌樁樁體參數(shù)變化對地基承載力的影響，該研究為今后高速公路軟土路基的建設(shè)提供了相應參考。

主要結(jié)論如下：

（1）經(jīng)水泥攪拌樁處理過的復合地基沉降量明顯小于未處理時的地基沉降量，經(jīng)處理后的地基沉降量僅為原始沉降量的1/2。

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基的承載力與穩(wěn)定性較差，地基前期會出現(xiàn)固結(jié)沉降現(xiàn)象。

（3）水泥攪拌樁的剛度、樁長、樁間距的變化均會對地基沉降量造成影響，樁間距的增大會使沉降量增大，主要是由于樁土應力比增大，樁間土發(fā)揮的作用減小，進而使地基沉降量增大。

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作者簡介：龐輝（1987—），工程師，主要從事公路行業(yè)設(shè)計工作。