摘 要：為研究水泥攪拌樁復(fù)合地基對(duì)高速公路軟土路基的加固效果，本文基于某高速公路軟土路基地基處理實(shí)際工程，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析水泥攪拌樁樁間距和樁長(zhǎng)對(duì)路基加固效果的影響，結(jié)果表明，通過(guò)土工格柵和水泥攪拌樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處理能有效地減少路基的沉降量和水平位移。水泥攪拌樁樁身模量增加、樁間距縮短、樁長(zhǎng)增加會(huì)使路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁；軟土路基；加固效果；數(shù)值計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U 416 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)國(guó)土面積遼闊，存在各類(lèi)復(fù)雜的地理環(huán)境和工程地質(zhì)條件，隨著高速公路網(wǎng)的覆蓋面積越來(lái)越大，在公路建設(shè)過(guò)程中常會(huì)遇到各類(lèi)挑戰(zhàn)，包括軟土沉降問(wèn)題[1]。我國(guó)東部地區(qū)軟土地層分布廣泛，具有一系列不良工程性質(zhì)，常會(huì)導(dǎo)致地基服役期間發(fā)生沉降過(guò)大等變形問(wèn)題，影響工程安全性[2]。目前針對(duì)軟土地基處理的方法包括換填墊層法、強(qiáng)夯法和復(fù)合地基法等[3]。張秀勇等[4]和邵韋弦[5]依托實(shí)際工程，利用數(shù)值模擬方法研究了碎石樁復(fù)合地基對(duì)軟土地基的加固效果。本文為研究水泥攪拌樁復(fù)合地基對(duì)高速公路軟土路基的加固效果，以某高速公路軟土路基地基處理實(shí)際工程為例，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析水泥攪拌樁樁身模量、樁間距和樁長(zhǎng)對(duì)路基加固效果的影響。

1 數(shù)值模型建立

本文依托某高速公路軟土地基處理實(shí)際工程，利用有限元軟件建立模型并進(jìn)行計(jì)算，該工程采用土工格柵和水泥攪拌樁復(fù)合地基對(duì)軟土地基進(jìn)行加固。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將不同地層分界線視為水平面，同時(shí)為減弱邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，要擴(kuò)大模型的計(jì)算范圍。計(jì)算模型的尺寸：100m×24m×20m（長(zhǎng)×寬×高）。水泥攪拌樁的樁長(zhǎng)為8.0m，樁直徑為0.5m，樁身彈性模量為120.0MPa，泊松比為0.2，樁間距為1.4m。模型單元數(shù)為9343個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9690個(gè)，數(shù)值模型如圖1所示。

路面材料的本構(gòu)模型采用線彈性模型，路堤填土和軟土地基的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型。模型的邊界條件：模型頂面為自由邊界，模型側(cè)面施加垂直于側(cè)面的約束，限制其法向位移，模型底面施加水平和豎直方向的約束，限制其水平和豎直方向位移，初始地應(yīng)力場(chǎng)僅為重力場(chǎng)。路面材料參數(shù)見(jiàn)表1，路堤填土和軟土地基的巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

模擬路基填筑施工過(guò)程，首先，需要對(duì)路基部分的單元進(jìn)行空模型處理，其次，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算，最后，逐一激活每層填土的命令，對(duì)路基分層填筑進(jìn)行數(shù)值模擬，每次填土高度為0.5m。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

為研究水泥攪拌樁復(fù)合地基對(duì)軟土地基的加固效果，分別建立未作處理的軟土地基模型，對(duì)采用水泥攪拌樁加固的地基模型進(jìn)行計(jì)算，得到路基的沉降及水平位移。

2.1 路基沉降分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到未作處理的軟土地基和通過(guò)水泥攪拌樁進(jìn)行加固的復(fù)合地基的路基頂部的沉降結(jié)果，如圖2所示

路基中心位置的豎向沉降量明顯大于路肩處的沉降量，與路基中心的距離增加，沉降量減少。未作處理的軟土地基在路基頂部的中心位置的沉降值為23.65cm，通過(guò)土工格柵和水泥攪拌樁進(jìn)行加固的復(fù)合地基在路基頂部的中心位置的沉降值為4.17cm，減少82.4%，可知水泥攪拌樁復(fù)合地基對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理能有效減少路基的沉降量。

2.2 路基水平位移分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到未作處理的軟土地基和通過(guò)水泥攪拌樁進(jìn)行加固的復(fù)合地基在路堤底部的水平位移結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可知，隨著與路基中心的距離增加，路堤底部的水平位移也逐漸增加。未作處理的軟土地基在路堤底部邊緣位置的水平位移值為6.01cm，通過(guò)土工格柵和水泥攪拌樁進(jìn)行加固的復(fù)合地基在路堤底部邊緣位置的水平位移值為1.68 cm，減少72%，表明水泥攪拌樁復(fù)合地基對(duì)軟土地基進(jìn)行處理能有效減少路基的水平位移。

綜上所述，水泥攪拌樁復(fù)合地基能有效抑制軟土路基變形，提高地基的長(zhǎng)期服役性能，分析其原因：水泥攪拌樁增加了土體的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，同時(shí)水泥攪拌樁的嵌入深度達(dá)到軟土層，形成了垂直的土體支撐結(jié)構(gòu)，有效減少了軟土的沉降和側(cè)向變形，另外，水泥的固化作用使水泥攪拌樁復(fù)合地基優(yōu)于其他形式復(fù)合地基，水泥固化形成了堅(jiān)固的土-水泥樁體，使軟土地基得到了有效加固和支撐，同時(shí)，水泥的固化過(guò)程還可以提高土體的抗水性和抗?jié)B性，減少軟土地基受水分影響的程度。

3 水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降因素分析

為研究水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降特性及影響因素，本節(jié)通過(guò)設(shè)計(jì)不同的計(jì)算工況，分別研究樁身模量、樁間距和樁長(zhǎng)對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基加固效果的影響。

3.1 樁身模量對(duì)復(fù)合地基的影響

為研究樁身模量對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基加固效果的影響，將樁身模量分別設(shè)置為80.0MPa、120.0MPa、160.0MPa、200.0MPa這4種工況，得到不同樁身模量條件下的水泥攪拌樁復(fù)合地基豎向沉降，如圖4所示。

隨著水泥攪拌樁樁身模量增加，路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。樁身模量為80.0MPa時(shí)，路基中心位置的最大沉降值為7.068cm，樁身模量為120.0MPa時(shí)，路基中心位置的最大沉降值為6.629cm，比樁身模量為80.0MPa的情況減少了6.6%。當(dāng)樁身模量為160.0MPa時(shí)，路基中心位置的最大沉降值為6.401cm，比樁身模量為120.0MPa的情況減少了3.4%。當(dāng)樁身模量為200.0MPa時(shí)，路基中心位置的最大沉降值為6.260cm，比樁身模量為160.0MPa的情況減少了2.2%。當(dāng)增加相同的樁身模量時(shí)，隨著樁身模量逐漸增加，減少路基沉降的效果逐漸減弱，當(dāng)水泥攪拌樁樁身模量較大時(shí)，不應(yīng)該通過(guò)增加樁身模量來(lái)提升復(fù)合地基的加固效果。

3.2 樁間距對(duì)復(fù)合地基的影響

為研究樁間距對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基加固效果的影響，將樁間距分別設(shè)置為1.0m、1.4m、1.8m、2.2m，得到不同樁間距條件下的水泥攪拌樁復(fù)合地基豎向沉降，如圖5所示。

隨著水泥攪拌樁樁間距減少，路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。當(dāng)樁間距為2.2m時(shí)，路基中心位置的最大沉降值為7.087cm，當(dāng)樁間距為1.8m時(shí)，路基中心位置的最大沉降值為6.826m，比樁間距為2.2m的情況減少了3.7%。樁間距為1.4m時(shí)的路基中心位置的最大沉降值為6.629cm，比樁間距為1.8m時(shí)的情況減少了2.9%。樁間距為1.0m時(shí)的路基中心位置的最大沉降值為6.466cm，比樁間距為1.4m的情況減少了2.5%。隨著樁間距逐漸減少，減少樁間距對(duì)減少路基沉降的效果逐漸減弱，當(dāng)水泥攪拌樁樁間距較小時(shí)，考慮節(jié)約工程成本，不應(yīng)該通過(guò)減少樁間距來(lái)提升復(fù)合地基的加固效果。結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，在該工程中，1.4m 為較合適的樁間距。

3.3 樁長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基的影響

為研究樁長(zhǎng)對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基加固效果的影響，將樁長(zhǎng)分別設(shè)置為8m、10m、12m、14m，得到不同樁長(zhǎng)條件下的水泥攪拌樁復(fù)合地基豎向沉降，如圖6所示。

隨著水泥攪拌樁樁長(zhǎng)增加，路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。樁長(zhǎng)為8m時(shí)的路基中心位置的最大沉降值為6.629cm，樁長(zhǎng)為10m時(shí)的路基中心位置的最大沉降值為5.746cm，比樁長(zhǎng)為8m的情況減少了13.3%。樁長(zhǎng)為12m時(shí)的路基中心位置的最大沉降值為4.806cm，比樁長(zhǎng)為10m的情況減少了16.4%。樁長(zhǎng)為14m時(shí)的路基中心位置的最大沉降值為3.840cm，比樁長(zhǎng)為12m的情況減少了20.1%。當(dāng)樁長(zhǎng)為8m～14m時(shí)，增加相同的樁長(zhǎng)，隨著樁長(zhǎng)逐漸增加，增加樁長(zhǎng)對(duì)減少路基沉降的效果逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明增加樁長(zhǎng)可以很好地提升復(fù)合地基的加固效果。

4 結(jié)論

通過(guò)土工格柵和水泥攪拌樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處理能有效地減少路基的沉降量和水平位移。

路基沉降值隨水泥攪拌樁樁身模量增加而逐漸減少，增加相同樁身模量時(shí)，隨樁身模量增加，增加樁身模量對(duì)減少路基沉降的效果逐漸減弱，水泥攪拌樁樁身模量較大時(shí)，不應(yīng)繼續(xù)通過(guò)增加樁身模量來(lái)提升復(fù)合地基的加固效果。

路基沉降值隨著水泥攪拌樁樁間距減少而逐漸減少，減少相同的樁間距時(shí)，隨著樁間距逐漸減少，對(duì)減少路基沉降的效果逐漸減弱，水泥攪拌樁樁間距較小時(shí)，考慮節(jié)約工程成本，不應(yīng)繼續(xù)通過(guò)減少樁間距來(lái)提升復(fù)合地基的加固效果。

路基沉降值隨著水泥攪拌樁樁長(zhǎng)增加而逐漸減少，樁長(zhǎng)為8m～14m時(shí)，隨著樁長(zhǎng)逐漸增加，增加樁長(zhǎng)對(duì)減少路基沉降的效果逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明增加樁長(zhǎng)可以很好地提升復(fù)合地基的加固效果。

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