基于有限元法的水泥土攪拌樁在軟基中處理效果評價

蔡菁

摘 要：公路建設往往不可避免的遇到軟弱土地質。必須進行處理以保證路堤在施工和運營期間的穩定性。鑒于此，筆者首先總結了軟土的工程性質及處治原則，隨后分析了水泥攪拌樁的對軟土的加固機理和沉降計算方法，最后利用有限元軟件ANSYS建立計算模型，探討了樁長對軟土地基沉降的影響效果，研究成果可為類似的軟土地基設計提供科學指導。

關鍵詞：有限元;軟土地基;水泥攪拌站;處治效果

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A

0 引言

經過多年的快速發展，基礎交通設施網絡基本成型，公路工程建設規模也逐年增大。我國軟土分布較為廣泛，公路建設里程長，往往不可避免的遇到軟弱土地質。在軟弱土層修建公路路基容易出現邊坡失穩、溜塌、路面縱向裂縫等病害，因此在處理軟土地基時首先要保證路堤在施工和運營期間的穩定性[1]。目前國內外工程人員在開展軟土地基處理時往往是基于工程類比法，參考以往項目的建設經驗，可能造成一定程度的資源浪費。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、造價低等特點，在軟土地基處治中得到了廣泛應用。但是地基所處位置存在較多孤石或堅硬土層等，水泥攪拌樁不適用。

水泥攪拌樁在實際設計時應根據地勘資料進行樁參數（樁長、樁間距）的優化，并遵循以下原則：

（1）滿足規范：規范是開展軟土地基設計的依據，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范中的沉降控制標準，如表1所示[2]：

表1 軟土地基沉降控制標準

設計標準?? ?單位?? ?參數

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）經濟性：設計人員應當在確保軟土地基工后沉降的基礎上，對不同樁參數的復合地基開展經濟性必選，選擇性價比高的樁長和樁間距。

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

2 水泥攪拌樁加固機理和沉降計算方法

2.1 水泥攪拌樁加固機理

水泥攪拌樁對軟土地基的加固機理可從微觀和宏觀兩個方面去分析，前者主要是指固化劑與軟土之間的化學反應，改變了原狀土結構，使軟土硬化，整體性和水穩定性有明顯提高;后者主要指水泥攪拌樁的整體作用機制，即軟土地基與水泥攪拌樁形成復合地基，提高軟弱土承載力、降低其沉降變形，各種加固機理具體闡述如下[3]。

（1）碳酸化作用。水泥固化物中的氫氧化鈣會吸收水和空氣中的CO2，發生化學反應生成CaCO3，化學反應方程式如下，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對土體的增強作用主要體現在兩個方面：一方面，水泥中的若干礦物質消耗土體中的水分反應，形成硬骨架，提高土體強度;另一方面，水泥中的水化產物和土顆粒相互吸附，土顆粒逐漸增大，最終產生強度較高的化合物。

（2）承載力加強和降低沉降機理。水泥攪拌樁會和軟土共同形成復合地基，復合地基可以劃分成加固區地基與非加固區地基，此時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，地基中的水會排出，超孔隙水壓力會不斷消散。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，從而提高土體的有效應力和有效抗剪強度。

水泥攪拌樁的存在還會提高土體復合模量，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。在相同附加應力作用下，復合地基壓縮變形會比未處理的軟弱土有大幅減小。

2.2 水泥攪拌樁復合地基沉降計算

水泥攪拌樁復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。復合地基沉降計算方法主要有壓縮模量法。

壓縮模量法計算沉降就是將水泥攪拌樁復合地基的加固區和非加固區視為整體，計算模量是采用復合地基當量壓縮模量，再利用分層總和法求出沉降，計算步驟為：地基土分層（根據厚度、地下水等）→計算土層當量壓縮模量→計算土層附加應力→計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層土附加應力，MPa;—第i層土當量壓縮模量，MPa。其中壓縮模量的計算與地基壓力擴散密切相關。

水泥攪拌樁復合地基沉降計算后，還要進行加固區軟弱下臥層承載力的驗算，計算方法采用應力擴散法，計算公式如下：

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

3 基于ANSYS軟件的水泥攪拌樁復合地基計算

3.1 工程概括

為了準確分析處理攪拌樁對軟弱土地基的加固效果，筆者以某高速公路項目為依托，利用有限元軟件ANSYS15.0建立計算模型，分析了軟弱土加固前后的沉降變化規律，以評價水泥攪拌樁的處理效果。

該高速公路路線全長36公里、路基寬度27 m、雙向四車道、設計速度120 km/h，沿線存在大面積的軟土地基，設計人員擬采用水泥攪拌樁加固處理，水泥攪拌樁設計參數為：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，樁長為變量，至少應穿透軟弱土層。樁平面布置時，在錐坡坡腳、路堤坡腳等邊界線外增加一排。

3.2 軟土路基有限元模型建立

（1）簡化條件。為了提高計算效率，水泥攪拌樁復合地基時的參數需要進行適當簡化。比如水泥攪拌樁和周圍土體都視作彈塑性體，屈服準則采用摩爾庫倫理論;比如忽略水泥攪拌樁施工期間的機械設備、人員、臨時荷載等因素。

（2）模型建立。為了提高計算的精確度，ANSYS軟件建立復合地基模型時均采用實際設計尺寸，樁基、樁周土體及網格劃分采用SOLID45 八結點實體單元[4]，并對地基土表面的單位格尺寸進行適當加密，網格尺寸取0.5 m，其它位置網格尺寸取1 m，共劃分出單元3 826個，節點總數為4 218個，如圖1所示。

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

3.3 復合地基沉降計算結果分析

樁長是水泥攪拌樁復合地基計算時的重要參數，筆者分別取樁長5 m、8 m、10 m、15 m、20 m來探討了樁長對軟弱土地基沉降的影響，計算結果見圖2：

計算結果表明：天然狀態下的軟土地基工后沉降為360 mm，使用水泥攪拌樁處治后，其沉降變形會明顯降低。在相同荷載作用下，隨著水泥攪拌樁樁長的增加，地基沉降會降低，但是當樁長超過10 m，復合地基的沉降就基本不再變化，這個長度就是水泥攪拌樁的有效加固長度。

4 結語

本文利用有限元軟件ANSYS詳細探討了軟土地基的工程特征、水泥攪拌樁的加固機理和加固效果，主要得到以下幾方面結論：（1）水泥攪拌樁在軟土地基處治中應用廣泛，但不適用于存在較多孤石或堅硬土層區域。（2）水泥攪拌樁設計時應結合地勘資料進行樁長、樁間距優化，并遵循因地制宜、經濟性、方便施工等原則。（3）水泥土攪拌樁對軟土地基的加固機理可從微觀和宏觀兩個方面去分析，即固化劑與軟土之間的化學反應、水泥攪拌樁的整體作用機制。（4）隨著樁長的增加，水泥攪拌樁對軟土地基的加固效果變好，但當樁長超過某一臨界高度后沉降基本不再變化。

參考文獻：

[1]趙霄.高速公路工程施工中軟土地基處理技術研究[J].工程建設與設計，2021（13）：208-210.

[2]郝明鋒.高等級公路軟土地基處理關鍵技術及應用研究[J].交通世界，2021（18）：116-117+127.

[3]張杰.淺談公路工程中軟土路基設計及施工階段的標準[J].黑龍江水利科技，2018（3）：65-66.

[4]毛少波.公路設計中軟土路基處理技術的研究與實際應用[J].四川建材，2020（8）：108+135.

[5]溫廣軍，楊余明，石川.淺談高速公路溝塘路段軟基處理方案設計[J].工程與建設，2018（4）：561-564.