水泥攪拌樁在軟土路基加固工程中的應用研究

胡 瀟

(新疆新紀元公路設計有限責任公司 烏魯木齊市 830000)

0 引言

工程中，由于軟土路基承載力不能滿足設計要求，故需要采用一定的措施進行路基加固。水泥攪拌樁作為一種有效的處理方式，廣泛地應用到了路基處理當中。近年來，國內學者對此進行了一些研究，主要有：文獻[1]以釘型水泥土攪拌樁為研究對象，通過數值模擬軟件建立了單樁和群樁下的路基加固模型，通過計算得到釘型水泥土攪拌樁的擴大頭樁可以有效承擔上部荷載，采取加固措施后路基的沉降顯著減小。文獻[2-3]以某路基工程采取土工格柵和水泥攪拌樁加固措施為例，采用有限元軟件建立數值分析模型，重點分析了樁間距、填土高度以及樁徑對路基沉降的影響規律，并對路堤荷載的傳遞規律進行了描述。文獻[4]以某軟土路基為研究對象，通過有限元軟件模擬的方法，研究分析了采用水泥攪拌樁加固軟土地基的效果，結果顯示，水泥土攪拌樁可以增大路基的整體性，減小路堤的裂縫產生，提高路堤邊坡的穩定性。文獻[5]認為水泥攪拌樁是一種有效的路基加固方式，具有施工簡單、對環境影響小等優點，可以廣泛應用到城市市政工程當中。主要以某地區軟土路基加固為研究對象，通過采用PLAXIS有限元軟件建立數值模型，重點分析了水泥攪拌樁加固前后路基位移變化，并對填筑高度對路基位移影響進行了分析，最后將實際監測數據與數值模擬數據進行了對比分析，研究結果可為類似工程設計和施工提供一定參考。

1 工程概況

某軟土地區路基，從上至下依次為路堤填土、砂石墊層、地基加固區，其中地基加固區填土包括填土、粉質黏土和黏土三部分。如圖1所示，路堤土高度為4.5m，其中砂石墊層厚度為0.5m，填土、粉質黏土和黏土高度分別為2m、6m和8m，路基擬采用水泥攪拌樁對地基進行加固處理。路基上表面半幅寬度設計值為12.25m，高度為4.5m，坡率按照1∶1.5設計，施工時采用分層鋪填碾壓的方法。水泥攪拌樁設計樁長為10m，樁徑為50cm，樁間距為1.40m。

圖1 水泥攪拌樁加固路基示意圖

2 數值建模

如圖2所示，為采用有限元軟件PLAXIS軟件建立的數值模型圖。由于路基的對稱性，取半幅寬度進行模擬計算，其中路基的頂部寬度取值為12.25m，高度為4.5m，坡率為1∶1.5。模型整體寬度為40m，模型長度(垂直路基截面方向)取10m，土基高度為16m，從地表至下依次為填土、粉質黏土和黏土，從上至下厚度依次為2m、6m和8m。砂石礫土褥墊層厚度為0.5m。水泥攪拌樁總長為10m，樁徑為50cm，樁間距為1.40m，建模均采用實體單位模擬。模型除上邊界外，其他邊界均進行位移約束，模型均采用摩爾-庫倫本構模型。

圖2 數值模型圖

表1給出了路基土、地基土和褥墊層的力學參數，路堤填土和褥墊層級配碎石排水類型均為排水，加固區為不排水。如表2所示，為水泥攪拌樁與土工格柵物理力學參數。

表1 土體和褥墊層的物理力學參數

表2 水泥攪拌樁與土工格柵的物理力學參數

3 數值結果分析

3.1 水泥攪拌樁加固前后路基位移分析

如圖3所示，給出了加固處理前后地基表面沉降曲線，由圖可知，路基中心沉降最大，往兩側沉降逐漸減小。未采用加固措施時，路基中心沉降值為-133.2mm，加固之后路基中心沉降值為-73.4mm，相比于未采取加固措施時，采取水泥攪拌樁加固之后路基中心沉降值大小減小了44.9%，值得注意的是，采取水泥攪拌樁加固之后，路基邊緣的沉降要比加固前增大，這是由于水泥攪拌樁加固措施實施之后，土體的整體承載能力增大，有效地減小了差異沉降。

圖3 加固處理前后路基沉降曲線

如圖4所示，給出了采取水泥攪拌樁加固前后的路基坡趾斷面從地基最底部至地表的水平位移曲線，由圖可知，從地基底部往上，側向位移先增大后減小。對于未采取加固措施時，在距離地表深度約3m處側向位移最大，說明此時在深度3m處土體所受應力也最大，該位置最大側向位移為71.2mm；對于采取水泥攪拌樁加固措施時，在距離地表深度約10m處側向位移最大，說明此時在深度3m處土體所受應力也最大，該位置最大側向位移為26.4mm，出現這一現象主要是因為水泥攪拌樁施作之后形成復合地基，加固了土體，使得土體側向位移減小且最大側向位移值下移。相比于未采取加固措施時，采取水泥攪拌樁加固之后最大側向位移值大小減小了62.9%。

圖4 加固處理前后路堤路基坡趾斷面水平位移曲線

3.2 填筑高度對路基位移影響分析

路基填土分四次進行填筑，每次填筑高度為1m，如圖5所示，給出了不同路基填筑高度時的地基表面沉降曲線，由圖可知，路基中心沉降最大，往兩側沉降逐漸減小。填筑高度為1m、2m、3m和4m時路基中心沉降值分別為-18.9mm、-35.6mm、-52.1mm和-73.4mm，相比于填筑高度為1m時，填筑高度為2m、3m和4m時路基中心沉降值大小分別增大了88.4%、175.7%和288.4%。相比于路基中心隨填土高度增大而迅速增大，路基邊緣沉降隨填筑高度增大路基沉降增大幅度較小。

圖5 不同路基填筑高度時的路基沉降曲線

如圖6所示，給出了不同路基填筑高度時的路基坡趾斷面從地基最底部至地表的水平位移曲線，由圖可知，從地基底部往上，側向位移先增大后減小，在距離地表深度約10m處側向位移最大，說明在深度10m處土體所受應力也最大。填筑高度為1m、2m、3m和4m時最大側向位移值分別為16.8mm、20.5mm、23.7mm和26.4mm。相比于填筑高度為1m時，填筑高度為2m、3m和4m時最大側向位移值大小分別增大了22.0%、41.1%和57.1%。

圖6 不同路基填筑高度時的路基坡趾斷面水平位移曲線

3.3 現場監測與數值模擬對比分析

為了對數值模擬結果進行驗證，工程中對地基表面沉降進行了監測分析，如圖7所示，為路基現場實測和數值模擬沉降對比曲線，由圖可知，在初期，路基沉降速率較快，當150d之后沉降逐漸減緩，在250d左右沉降基本處于穩定狀態。圖中顯示，實測沉降曲線和數值模擬得到的曲線吻合度較好，最大實測沉降值為-71.6mm，最大數值模擬沉降值為-73.4mm，二者誤差在5%之內，說明了數值模擬過程和結果的合理性。

圖7 路基現場實測和數值模擬沉降對比曲線

4 結論

主要以某地區軟土路基加固為研究對象，通過采用PLAXIS有限元軟件建立數值模型，重點分析了水泥攪拌樁加固前后路基位移變化，并對填筑高度對路基位移影響進行了分析，最后將實際監測數據與數值模擬數據進行了對比分析，得到以下結論：

(1)相比于未采取加固措施時，采取水泥攪拌樁加固之后路基中心沉降值大小減小了44.9%，且水泥攪拌樁加固措施實施之后，土體的整體承載能力增大，有效地減小了差異沉降。

(2)相比于未采取加固措施時，采取水泥攪拌樁加固之后最大側向位移值大小減小了62.9%，水泥攪拌樁施作之后形成復合地基，使得土體側向位移減小且最大側向位移值下移。

(3)路基中心沉降最大，往兩側沉降逐漸減小，相比于填筑高度為1m時，填筑高度為2m、3m和4m時路基中心沉降值大小分別增大了88.4%、175.7%和288.4%，即路基沉降隨填土高度增大而增大。

(4)相比于填筑高度為1m時，填筑高度為2m、3m和4m時最大側向位移值大小分別增大了22.0%、41.1%和57.1%，路基側向位移隨填土高度增大而增大。

(5)實測沉降曲線和數值模擬得到的曲線吻合度較好，最大實測沉降值為-71.6mm，最大數值模擬沉降值為-73.4mm，二者誤差在5%之內，說明了數值模擬過程和結果的合理性。