碎石樁加固公路軟土地基分析

摘要：在進行軟土地基加固時往往會用到碎石樁，同時在路堤下設置加固層能夠更好的將總應力轉移至碎石樁上，以此達到降低基礎底部土體整體變形的目的。為了進一步分析碎石樁參數變化對路堤沉降、基底變形的影響，選擇平面應變數值方法，分別計算有加筋、無加筋時碎石樁加固軟土地基后路堤的受力情況，并模擬了路堤的沉降和基底的變形。研究結果表明：路堤的沉降值和路堤坡腳部位的隆起值，隨著樁間距的減小而明顯降低；將剛度較大的土工格柵設置在路堤底部時，調整碎石樁間距對路堤沉降的影響較小；土工格柵對減小路堤坡腳位置的隆起有著非常明顯效果，不管怎樣調整碎石樁的樁間距，對土體水平變形影響較大的仍然是基底土工格柵；地基整體水平變形隨樁身長度的增加而減小，其中水平變形峰值處減小的幅度最大；基底土工格柵對水平變形的減小有比較明顯的影響，同時調整碎石樁的長度，還能加快超靜孔隙水壓力的消散速度。

關鍵詞：軟土地基；樁間距；碎石樁；整體變形；沉降

0" "引言

軟黏土主要由飽和沉積物構成，具有高壓縮性、低強度的特性。我國人口眾多，土地資源緊張，隨著城市的不斷開發，適合建造的土地也越來越少，所以在軟黏土地區進行開發建設是無法避免的[1-2]。在軟黏土區域開發建設過程中，改良軟黏土強度和壓縮特性的方法十分重要。在眾多軟土改良的方式里（化學添加劑、真空預壓、預堆載法等），碎石樁因具有排水能力強，可以有效降低土體固結時間和沉降量的特點，較好的解決了軟黏土引起的施工難題[3-5]，而被廣泛應用實際工程中。

為了進一步分析碎石樁參數變化對路堤沉降、隆起值的影響，此次研究選擇平面應變數值方法，分別計算了有加筋、無加筋時碎石樁加固軟土地基后路堤的受力情況，并模擬了路堤沉降和基底變形，揭示了碎石樁對軟黏土層的改良機制。

1" "項目概況和建立模型

1.1" " 項目概況

阿夸依博州埃克特19km公路項目2#橋大里程端K8+610-K8+775段，軟基采用碎石樁進行加固，其路堤邊坡坡率為1：2，高1.8m，底部寬40m。其碎石樁直徑為80cm，樁間距為2.4m，地面以下6m為樁底深度。

項目部組織技術人員對該項目開展了11根砂樁、5根碎石樁的單樁靜載試驗和單樁復合地基靜載試驗。其中，除了K8+715.93位置路堤底部的碎石樁單樁，復合地基靜載試驗時出現0.18mm 的反彈現象外，其余樁基靜載試驗基本正常，沉降量均不超過5mm。從整體上來看，本次樁基單樁及單樁復合地基靜載試驗滿足設計要求。下一步應在路堤本體范圍內樁基頂面，鋪設一層厚0.4m的碎石墊層夾一層雙向土工格柵。

1.2" " 建立模型

此次研究選擇Tan等[6]人所提的等效方法來建立數值模型。以上述工程為背景，分析樁間距、樁長對路堤沉降的影響。其中等效方法是把單個碎石樁變換成等效剪力墻，計算剪力墻厚度的公式如下：

（1）

式中：bc代表剪力墻一半的厚度，單位m；rc表示碎石樁的半徑；R表示其在軸對稱條件下的影響半徑，可根據碎石樁的排列和其中心距來確定；B表示是平面應變條件下的影響半徑。因為中心軸對稱，所以只對一半路堤進行模擬。借助式（1）求出剪力墻厚度，設定好平面應變條件，將碎石樁轉變成連續墻進行模型建立。根據項目概況中碎石樁的直徑（0.8m）和中心距（2.4m），計算得出模型里等效墻的厚度為21cm。邊界的設置：模型的側邊界只允許在垂直方向上的移動，固定模型的底部。

在有限元軟件中，6個節點三角形單元構成土工格柵單元，各個節點都有著3個平移自由度。給土體設定節點單元15個，土工格柵通過5個節點的線性單元來進行自動模擬。土工格柵單元能夠承受拉伸力的方向只有一個，即沿長度方向。指定土體和格柵間的界面為自由邊界。土體本構和土工合成材料分別為選擇摩爾庫侖模型和彈性單元，模型各項參數見表1。樁間距、樁長等參數的設定見表2，其中H指的是軟土層厚度。

2" "影響分析

2.1" " 樁間距造成的影響

如圖1所示為不同樁間距下情況下，無加筋和加筋路堤的沉降值變化趨勢。從圖1a能夠明顯看出，路堤的沉降值隨著樁間距的減小而明顯降低，并且距離路堤中心越近，這種趨勢就越明顯。當把樁間距從2.4m減小至1.8m時，路堤下部沉降量最大值從471mm減小到352mm，削弱近25%。

除此之外，減小碎石樁的間距，能夠對路堤坡腳部位的隆起量造成較大影響。具體表現為把樁間距從2.4m降低到1.8m時，能夠將路堤坡腳部位113mm的隆起徹底消除。從圖1b能夠看出，在加上剛度為3500kN/m的土工格柵時，同樣把碎石樁間距從2.4m降低至1.8m，路堤底部沉降最大值從473mm降低至423mm，削弱近10%。

將剛度較大的土工格柵設置在路堤下部時，調整碎石樁間距對路堤沉降的造成影響較小，不過土工格柵對減小路堤坡腳位置的隆起有著非常明顯的效果。具體表現為在碎石樁樁間距2.4m，并加上基底土工格柵（剛度3500kN/m）時，坡腳部位的隆起值從112mm減小到0mm。

圖2所示為路堤坡腳位置處土體在不同樁間距下的水平變形。從圖2a能夠明顯看出，在減小碎石樁的樁間距時，地基土最大水平變形也隨之降低，且降低幅度較大。具體表現為路堤在沒有加筋，樁間距從2.4m降低到1.8m時，水平位移峰值降低近74%，從505mm降低至130mm。從圖2b能夠明顯看出，對于加筋路堤，水平變形峰值受碎石樁樁間距的影響較小。當加筋路堤樁間距同樣從2.4m降低到1.8m時，水平位移峰值降低近30.3%，即從165mm降低到115mm。綜上所述，不管怎樣調整碎石樁的樁間距，對土體水平變形影響較大的仍然是基底土工格柵。

2.2" " 樁長度造成的影響

在分析樁長Lc對路堤沉降的影響時，固定碎石樁直徑和樁間距分別為0.8m和2.4m，根據表2來設定樁長度。本文只分析加筋路堤。如圖3所示為路在不同碎石樁樁長下的沉降變化趨勢。從圖3明顯看出，路堤坡腳位置隆起和下部各點沉降值受碎石樁長度影響較大。當Lc從0.25H增大至0.75H時，沉降量峰值從855mm降低至430mm，降幅達49.7%。而路基坡腳部位的隆起值從370mm減小至15mm，降低幅度高達95%。由此也能看出，路堤坡腳部位的隆起值受碎石樁長度的影響更大。

圖4所示為不同格柵剛度各Lc下路堤坡腳位置水平變形趨勢。從圖4能夠明顯看出，地基整體水平變形隨樁身長度的增加而減小，其中水平變形峰值處減小的幅度最大。從圖4a能夠看出，當碎石樁Lc從0.25H提高至0.75H時，能夠把水平變形峰值從2240mm降低至565mm，降低幅度達75%。除此之外，基底土工格柵對水平變形的減小有比較明顯的影響。圖4b為僅增大土工格柵剛度，各Lc下路堤坡腳位置水平變形趨勢。從圖4b能夠明顯看出，土工格柵剛度從2500kN/m增加到3500kN/m，樁長為0.25H時，水平位移最大值從2240mm降低至1090mm。同時，調整碎石樁的長度，則能改變超靜孔隙水壓力的消散速度。

圖5所示為土層中心超靜孔隙水壓力在不同樁長下的變化趨勢。從圖5能夠明顯看出，把樁長從0.25H增大至0.75H時，超靜孔隙水壓力從135kPa減小到62kPa，減小幅度達55%。除此之外，碎石樁長度越長，土層固結的速度也就越快，從而縮短了達到最終沉降的時間。把碎石樁長度從0.25H增大至0.75H，作用在軟黏土上的垂直應力大大降低，同時徑向排水能力也隨著樁長的增大而增大，為此超靜孔隙水壓力消散能從180天降低至150天。

3" "結論

為了進一步分析碎石樁參數變化對路堤沉降、隆起值的影響，此次研究選擇平面應變數值方法，分別計算了有加筋、無加筋時，碎石樁加固軟土地基后路堤的受力情況，并通過數值模型分析了碎石樁樁間距、長度對路堤沉降、隆起值的影響，得到如下結論：

路堤的沉降值隨著樁間距的減小而明顯降低，并且距離路堤中心越近，這種趨勢就越明顯。除此之外，減小碎石樁的間距，能夠對路堤坡腳部位的隆起量造成較大的影響。把樁間距從2.4m降低到1.8m時，能夠將路堤坡腳部位113mm的隆起徹底消除。

把剛度較大的土工格柵設置在路堤底部時，調整碎石樁間距對路堤沉降的造成影響較小。土工格柵對減小路堤坡腳位置的隆起有著非常明顯的效果，不管怎樣調整碎石樁的樁間距，對土體水平變形影響較大的仍然是基底土工格柵。在減小碎石樁的樁間距時，地基土最大水平變形也隨之降低，且降低幅度較大。

地基整體水平變形隨樁身長度的增加而減小，其中水平變形峰值處減小的幅度最大。基底土工格柵對水平變形的減小有比較明顯的影響，同時調整碎石樁的長度，則能改變超靜孔隙水壓力的消散速度。

參考文獻

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