軟土區水泥攪拌樁加固效果及工后沉降監測研究

摘 要：為研究水泥攪拌樁復合地基對高速公路軟土路基的加固效果及影響因素，文章利用FLAC3D軟件建立數值模型，計算分析了水泥攪拌樁復合地基加固前后地基的變形及工后沉降規律，并研究了樁長、樁間距和樁身模量對加固效果的影響，所得結論如下：（1）路基的沉降量隨著距路基中心的距離逐漸增大而減小，路堤底部水平位移隨著距路基中心距離的逐漸增大而增大，說明通過水泥攪拌樁對軟土地基進行加固能有效地減小路基的沉降量和水平變形；（2）水泥攪拌樁復合路基頂面中心線位置的累計沉降量隨加載時間推移呈逐漸增大的趨勢，根據累計沉降量隨加載時間的變化速率不同，可將累計沉降量變化曲線分為快速增大、平穩增加和保持穩定三個階段；（3）路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁長增大、樁間距減小、樁身模量增大而逐漸減小。

關鍵詞：水泥攪拌樁；軟土；加固效果；影響因素；數值計算

中圖分類號：U416.1

0"引言

我國國土面積遼闊，不同地區的地理環境和地質條件具有較大差異，隨著我國高速公路建設的快速推進，在工程建設過程中常會遇到各種問題。大量工程實踐經驗表明，在東部沿海地區修建高速鐵路最大的困難之一就是深厚軟土地基處理問題［1-2］，采取合適的工程措施進行軟土路基加固對高速公路工程的安全性和耐久性至關重要。其中已有的相關規范已經給出了常用的軟土路基加固方法，包括排水固結法、復合地基法（CFG樁、水泥攪拌樁等）、強夯法等［3］。

目前眾多學者對軟土地基的加固方法進行了大量研究，取得了豐富的研究成果。張秀勇等［4］依托大麗高速公路軟土路基處理實際工程，利用FLAC 3D軟件建立數值模型，對碎石樁復合地基進行了數值模擬，發現加設碎石墊層可以顯著提高碎石樁復合地基對軟土的加固效果。李超［5］依托某軟土地基處理工程，采用水泥攪拌樁對軟土路基進行加固，通過現場試驗和有限元數值模擬研究了水泥攪拌樁復合地基的承載變形特性。沈琳［6］依托某賽道CFG復合地基工程，利用ANSYS軟件建立數值模型，采用正交試驗方法研究了樁徑、樁長、樁間距、褥墊層厚度對CFG樁復合地基加固效果的影響。王寶泉等［7］依托某高速公路軟土地基水泥攪拌樁處理實際工程，通過現場試驗得到樁土沉降、樁體壓縮等數據，研究了水泥攪拌樁復合地基的沉降及孔壓消散規律。歐紅亮等［8］對水泥土攪拌樁的不同工法的加固機理、施工工藝進行研究，明確不同工法的差異及適用條件，得出不同工法的施工效果并提出使用建議。

本文為研究水泥攪拌樁復合地基對高速公路軟土路基的加固效果及影響因素，依托深圳市某高速公路軟土路基處理實際工程，利用FLAC 3D軟件建立數值模型進行計算，分析了加固前后地基的短期變形及工后沉降，并研究了樁長、樁間距和樁身模量對加固效果的影響。

1"數值模型的建立

本文依托深圳市某高速公路軟土路基處理工程，利用FLAC 3D軟件建立數值模型并進行計算分析。該工程采用水泥攪拌樁復合地基進行軟土地基加固，施工區域地勢平坦，地下水埋深淺，距地表僅1 m，地層自上而下分別為路基填土（厚度為5 m）、種植土（厚度為2 m）、淤泥土（厚度為6 m）和淤泥質黏土（厚度為12 m）。為提高計算效率，在建立數值模型時應在符合工程實際情況的條件下對模型進行簡化。由于實際工程中路基結構具有對稱性，因此在建立數值模型時以路基中線為對稱軸，建立右側的半模模型。為消除邊界效應對計算結果的影響，對模型范圍進行適當放大，模型尺寸為30 m×10 m×25 m（長×寬×高），其中路基斷面平行于x軸，垂直于y軸，豎直方向為z軸。水泥攪拌樁的樁長為15.0 m，樁直徑為0.5 m，樁間距為1.6 m，樁身彈性模量為2 000.0 MPa，泊松比為0.2。數值模型如圖1所示。

地基土體的本構模型采用摩爾-庫侖模型，水泥攪拌樁的本構模型采用彈塑性模型。模型的邊界條件設置為：模型頂面為自由邊界，模型底面施加水平和豎直方向的約束，限制其豎向和水平方向的位移；模型側面施加垂直側面的約束，限制側面的法向位移。數值模型的巖土體物理力學參數取值如表1所示，其中地下水位以下的巖土體重度取值為飽和重度，結構單元參數取值如表2所示。

在進行數值計算時，先將路堤填土單元進行空模型處理和地應力平衡計算，得到初始地應力場，然后再模擬路基填筑過程。在模擬路基填筑時，逐級激活路基填土的命令流，每填筑一級路基進行一次地應力平衡計算，直至填筑完成，每次填土高度為1.0 m。

2"數值計算結果分析

2.1"數值計算可靠性分析

根據數值計算結果和現場進行的水泥攪拌樁單樁豎向抗壓靜載試驗結果，得到數值模擬和現場試驗的樁體沉降與荷載關系曲線如圖2所示。

圖2"樁體沉降與荷載關系曲線圖

由圖2可知，根據現場進行的水泥攪拌樁單樁豎向抗壓靜載試驗結果，得到在施加160 kN荷載的情況下監測到最終沉降值為35.2 mm，數值模擬計算的最終沉降值為36.7 mm，且隨著施加荷載的逐漸增大，數值模擬計算的沉降值先略小于現場單樁靜載試驗結果；當荷載＞128 kN時，數值模擬計算的沉降值略大于現場單樁靜載試驗結果。整體上看，數值模擬和現場試驗的樁體沉降與荷載關系曲線基本一致，說明該數值模擬的結果具有可靠性。

2.2"路基變形分析

根據數值計算結果，得到軟土地基和水泥攪拌樁復合地基的路基頂部的沉降及路堤底部的水平位移，如圖3所示。

如圖3所示，路基中心線位置的豎向沉降量大于路肩位置的沉降量，路基的沉降量隨著距路基中心的距離逐漸增大而減小。在未處理軟土地基的工況下，路基頂部中心位置的沉值為235.6 mm，在水泥攪拌樁復合地基工況下，路基頂部中心位置的沉降為36.7 mm，減小了84.4%。路堤底部水平位移隨著距路基中心距離的逐漸增大而增大。在未處理軟土地基的工況下，路堤底部邊緣位置的水平位移為59.9 mm，在水泥攪拌樁復合地基工況下，路堤底部邊緣位置的水平位移為16.8 cm，減小了71.9%。上述結果表明，通過水泥攪拌樁對軟土地基進行加固處理能有效地減小路基的沉降量和水平變形。

2.3"路基工后沉降分析

根據數值計算結果，得到水泥攪拌樁復合地基中心線頂部隨加載時間變化的累計沉降量變化曲線如圖4所示。

如圖4所示，水泥攪拌樁復合地基中心線頂部位置的累計沉降量隨著加載時間的推移呈現逐漸增大的趨勢。根據累計沉降量隨加載時間的變化速率不同，可將累計沉降量變化曲線分為3段：

（1）在填筑完成的50 d內，路基累計沉降量的速率最大，表現為該段曲線較陡。該階段累計沉降量達到70.9 mm，達到總累計沉降的57.4%。

（2）在填筑完成的205 d內，由于軟土地基在外力作用下超靜孔隙水壓力無法在短時間內完全消散，隨著時間推移，路基累計沉降量還在進一步增加，但沉降增大速率明顯減小。該階段累計沉降量達到115.3 mm，達到總累計沉降的 93.3%。

（3）在填筑完成的300 d內，路基的累計沉降基本保持穩定，軟土地基的超靜孔隙水壓力基本已完全消散。該階段的沉降主要以次固結沉降為主，累計沉降量已接近于總沉降量，為123.6 mm。

3"水泥攪拌樁復合地基沉降影響因素分析

3.1"樁長對復合地基加固效果的影響

為研究樁長對復合地基加固效果的影響，設置樁長為13 m、15 m、17 m、19 m的4個工況進行計算。根據數值計算結果得到不同樁長下的復合地基豎向沉降情況如圖5所示。

由圖5可知，路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁長的增大而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。當樁長為13 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為41.5 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為15.9 mm；當樁長為19 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為27.1 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為7.5 mm。當樁長由13 m增大到19 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了34.7%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了52.8%。隨著樁長的逐漸增大，水泥攪拌樁對控制路基沉降的效果逐漸增強，說明增加樁長可以很好地提升復合地基的加固效果。

3.2"樁間距對復合地基加固效果的影響

為研究樁間距對復合地基加固效果的影響，設置樁間距為1.8 m、1.6 m、1.4 m、1.2 m 的4個計算工況進行計算。根據數值計算結果得到不同樁間距下的復合地基豎向沉降曲線如圖6所示。

由圖6可知，路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁間距的減小而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。當樁間距為1.8 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為43.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為17.1 mm；當樁間距為1.6 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為36.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為13.1 mm。當樁間距由1.8 m減小到1.6 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了16.0%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了23.4%。當樁間距為1.2 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值為32.2 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為11.1 mm。當樁間距由1.6 m減小到1.2 m時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了12.3%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了15.3%。綜上，隨著樁間距的逐漸減小，水泥攪拌樁對控制路基沉降的效果逐漸增強，但在減小相同的樁間距時，對減小路基沉降的效果逐漸減弱，說明在樁間距處于合適的范圍內可通過減小樁間距提升復合地基的加固效果，但當水泥攪拌樁樁間距較小時，不應繼續考慮通過減小樁間距來提升復合地基的加固效果。

3.3"樁身模量對復合地基加固效果的影響

為研究樁身模量對復合地基加固效果的影響，設置樁身模量為400 MPa、500 MPa、600 MPa、700 MPa 的4個計算工況進行計算。根據數值計算結果得到不同樁身模量下的復合地基豎向沉降如圖7所示。

由圖7可知，路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁身模量的增大而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。當樁身模量為400 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值為40.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為15.1 mm；當樁身模量為500 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值為36.7 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為13.1 mm。當樁身模量由400 MPa增大到500 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了9.8%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了26.5%。當樁身模量為700 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值為33.6 mm，路基頂面路肩位置的豎向沉降值為12.5 mm。當樁身模量由500 MPa增大到700 MPa時，路基頂面中心線的豎向沉降值減小了8.4%，路基頂面路肩位置的豎向沉降值減小了4.8%。綜上，水泥攪拌樁對控制路基沉降的效果隨樁身模量的逐漸增大而增強，但隨著相同樁身模量增大，對減小路基沉降的效果逐漸減弱，說明在樁身模量處于合適的范圍內時可通過增大樁身模量提升復合地基的加固效果，但當水泥攪拌樁樁身模量較大時，不應繼續考慮通過減小樁間距來提升復合地基的加固效果。

4"結語

（1）路基的沉降量隨著距路基中心的距離逐漸增大而減小，路堤底部水平位移隨著距路基中心距離的逐漸增大而增大。

（2）水泥攪拌樁復合地基加固后，路基頂部中心位置的沉降值減小了84.4%，路堤底部邊緣位置的水平位移減小了71.9%，這說明通過水泥攪拌樁對軟土地基進行加固處理能有效地減小路基的沉降量和水平變形。

（3）水泥攪拌樁復合路基頂面中心線位置的累計沉降量隨加載時間推移呈逐漸增大的趨勢。根據累計沉降量隨加載時間的變化速率不同，可將累計沉降量變化曲線分為快速增大、平穩增加和保持穩定3個階段。

（4）路基頂部豎向沉降值隨水泥攪拌樁樁長增大、樁間距減小、樁身模量增大而逐漸減小，其中沉降變化量在路基中心線位置處較大，在路肩位置較小。

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