長短樁在公路軟土地基中的應用研究

張麗君

(太原公路分局婁煩公路管理段 太原市 030012)

0 引言

由于我國地理條件特征,高等級公路工程建設中不可避免地會遇到特殊地質。軟土具有含水量大、壓縮性高、承載力低等特點。劉松玉等在軟土地基處理中針對攪拌樁工藝問題提出了雙向水泥土攪拌樁技術,對比分析了雙向攪拌樁和傳統攪拌樁施工后的加固效果,認為雙向攪拌樁工藝能夠提高攪拌樁的均勻性,消除冒漿現象,該工藝下的復合地基的承載能力較傳統方式更強[1]。魏星對公路軟土地基在交通荷載下的長期沉降進行了研究,通過大量試驗數據,提出了長期荷載作用下沉降的變形計算模型,并采用三軸試驗進行了模擬試驗,驗證了新計算模型的適用性及合理性[2]。李月光對影響軟土路基沉降的各因素進行了梳理,在此基礎上對各個敏感因素在地基沉降中的影響程度進行了研究,利用灰色理論進行關聯分析,得出了各個影響因素的敏感系數[3]。左殿軍等分析了塑料套管混凝土樁加固軟土地基的作用機理,并進行地表變形、樁應力、孔隙水壓力等參數的現場試驗研究,結果表明,樁帽和樁間土的差異性沉降最大值為30mm,樁的應力集中隨樁土間的差異性沉降值降低而減小,塑料套管混凝土樁能夠有效控制路堤的水平位移,提高路堤的整體穩定性[4]。趙亮等對比分析了CFG樁、碎石樁、CFG樁與碎石樁聯合加固三種不同方案在貴州某高速公路的處理效果,并認為CFG樁基加固效果最佳[5]。張秀勇等結合室內試驗和數值模擬手段,對碎石樁復合地基加固軟土地基的效果進行了分析,結果表明,碎石樁復合地基可顯著改善深厚軟土地基穩定性,提高其承載能力[6]。目前,對于軟土地基的處理方法很多,針對不同的工程地質條件有不同的處理方案,但理論研究常常滯后于工程實際,關于柔性樁和剛性樁相結合的復合軟土地基處理方式的相關研究較少。文章采用Midas GTS NX軟件對長短樁加固的軟土地基變形規律進行研究,結合某高速公路工程實際進行建模分析,以期為工程實踐提供參考依據。

1 工程概況

某高速公路路基段路線總長18.68km,其中樁號范圍K12+330.26～ K12+425.31段位于軟土地基上。該區段地勢西部較高,東部較低,平均海拔為1560m,高差達到154.2m,植被發育良好,灌木叢生。該地區屬于亞熱帶季風氣候,降雨量較大,年平均濕度在80%以上。文章選取的最不利路段為K12+380斷面處,如圖1所示。

圖1 K12+380橫斷面(單位:m)

根據地勘資料顯示,該地區的地震烈度為Ⅵ度,上覆第四系殘坡積層亞粘土、軟黏土,下伏二疊系灰巖。該段路堤高度6m,下部存在軟土,厚度約7m,對路堤的穩定性不利,不可直接使用。該處的地層自上而下為四層,分別為淤泥質土、軟黏土、碎石土和灰巖,其中淤泥質土的厚度為3m,軟黏土層厚度為4m,碎石土層厚度為5m,最底層為較堅硬的灰巖。針對項目地質情況,采用長短樁加固地基的方法處理。路堤寬度為24m,高度為6m,坡率均為1∶1.5,見圖1。長樁采用CFG樁,短樁采用水泥攪拌樁。短樁作用于軟土層,為長7m的圓形樁,樁徑0.5m;長樁穿過軟土層,達到持力層,樁長15m,樁徑0.5m,長短樁間距為2m,為加強樁和樁間土的共同作用,樁頂鋪設0.4m厚的級配碎石褥墊層。

2 數值模擬計算分析

2.1 模型的建立

Midas GTS NX軟件涵蓋了巖土工程中常見的本構模型,如摩爾—庫倫、鄧肯—張、修正劍橋—黏土模型等,具有良好的工程適應性,因此文章采用Midas GTS NX軟件、2D平面模型進行模擬計算。在模型建立時,為減小邊界尺寸對模型運算的影響,應將模型的尺寸盡量增大,但模型尺寸過大又不利于模型的計算,根據填方高度等參數確定模型尺寸為72m×26m,具體如圖1所示。土層均采用平面應變單元,選用摩爾—庫倫本構模型;長短樁均采用梁單元屬性、彈性本構模型,其余模型參數參照圖1。劃分網格單元時,將路堤劃分為6層,每層厚度為1m,以便模擬施工填筑。網格密度均為1m。有限元模型如圖2所示,模型參數見表1。

表1 模型參數表

圖2 有限元模型

Midas GTS NX有限元軟件采用激活和鈍化單元模擬結構的實施,采用施工階段管理模塊對模型進行施工階段模擬。模型建立完成后,首先施加重力和邊界條件,恢復原有的自重應力狀態,此時應將位移清零,再實施加固結構及長短樁和褥墊層單元激活,進而分層(每層1m)填筑路基,分步激活每層路基單元,最后再進行模型數據提取和分析。

2.2 計算結果分析

2.2.1地基表面變形分析

(1)地基在填筑過程中的沉降分析

在施工階段的模擬中,路堤按照每次每層1m的進度向上填筑,每層填筑后對地表變形情況進行提取,如圖3所示。圖中,填1～填6表示自下而上的填筑。水平間距每間隔1m進行數據采集。

圖3 路基填筑過程沉降變化規律

由圖3可知,路堤在填筑過程中,地基表面的沉降逐漸增大,每層填土后地基表面的最大沉降值約增大0.9cm,最大值為5.6cm。地基表面的沉降呈現出隨路堤填筑高度增大而逐漸向中線聚攏的增大趨勢。如填1和填6,填1施工后沉降曲線在路堤底部較為平緩均勻,而填6施工后路堤底部的沉降在路堤中線處較為突出,并且在路堤填筑過程中,路堤底面的地表沉降由均勻變化向鋸齒狀變化逐漸過渡。這是因為路堤呈梯形分布,導致填筑過程中地基表面的沉降中部增大明顯,同時鋸齒狀的地表沉降也體現出長短樁作用于地基土層上時,土層和樁體之間的不均勻沉降。

通過結果分析,在鋸齒狀分布的曲線上起伏最大的點往往是長樁與地基表面的連接點,鋸齒狀起伏較小的點是短樁與地基表面的連接點,這也說明長樁、短樁與土體的共同作用中,土體的變形最大,其次是短樁部分,最后是長樁端的變形。同時,也說明了長短樁與土體之間的協同作用,短樁和土體直接共同作用,變形量較大,對土體的擠密作用較長樁好。長樁的作用更多是將上層土體的荷載傳遞到下層持力層,長樁端部也更容易產生集中應力。此外,從沉降的位置變化情況來看,模型中路堤填筑的影響范圍在路堤坡腳外3.5m,并且在路堤整個變形過程中,該影響范圍并沒有隨之擴大。

(2)地基在填筑過程中的水平位移分析

為了了解地基表面水平位移變化情況,每隔1m對地基表面進行水平數據采集,如圖4所示。

圖4 路基填筑過程水平位移變化規律

圖4所示的水平位移正值表示向右側移動,反之向左。從圖中可知,水平位移值隨填筑高度的變化逐漸增大。每層土填筑后,水平位移的最大值出現在路堤的坡腳位置,并隨路堤填筑高度的變化逐漸變大,最大值為1.46cm,最大值出現的位置隨填筑高度增大,有從坡腳向路堤中線靠近的趨勢。

2.2.2不同工況下路基表面沉降的影響分析

為明確地基表面變形受不同加固形式的影響情況,現有其他條件不變的情況下,對全長樁加固、全短樁加固、長短樁混合加固下的三種工況進行路基表面變形分析。對不同工況下地基表面的最終沉降變化進行分析,結果如圖5所示。

圖5 不同工況下地表沉降對比分析

由圖5可見,三種工況下,地基表面變形曲線規律相同,呈中間大、兩端小的變化趨勢。其中僅短樁加固下的沉降最大,最大值達到9.3cm;全長樁加固下的沉降最小,最大值為4cm;長短樁混合加固下的最大值為5.6cm?？梢妰H短樁加固雖能在一定程度上擠密地基土,提高地基的承載能力,但無法將地基中的應力有效傳遞到更深層,在路堤荷載作用下發揮加固作用有限。全長樁加固作用效果雖然最好,但僅比長短樁混合的加固沉降最值減少1.6cm,提升效果有限,增加工程造價,不利于工程經濟性。結果說明了長短樁在地基加固中的優勢,長樁與短樁可做互補。

2.2.3不同工況下有效應力云圖分析

不同工況下模型的有效應力云圖見圖6、圖7。

圖6 僅短樁加固后模型有效應力云圖

圖7 長短樁加固后模型有效應力云圖

圖6、圖7中,明顯可見僅短樁工況下的軟土地層應力較大,特別體現在路堤底部的軟土部分,應力較大呈上凸狀,而在長短樁共同作用下,不僅路堤底部軟土地層的應力減小,應力的上凸趨勢變緩,同時軟土地基的應力過渡更加平順,但長樁底部的應力比僅短樁加固工況下的應力更大,從而驗證了長樁在長短樁加固地基方法中的承載作用。

3 結論

文章采用有限元模擬軟件對長短樁加固地基的公路路堤變形進行研究,得到以下結論:

(1)長短樁加固地基的作用下,地表沉降最大處在路堤中部,地基表面的沉降隨填筑高度增大而增大,且地表沉降隨填筑高度的增大呈鋸齒狀變化越明顯,最大值為5.6cm,路堤填筑對地表沉降的影響范圍為路堤坡腳向外3.5m。

(2)地表在路堤填筑過程中的水平位移呈對稱分布,隨填筑高度增大而逐漸增大。路堤填筑過程中,最大值出現的位置從坡腳不斷向路基中心移動。

(3)三種工況下,全短樁加固的地表沉降最大值為9.3cm,全長樁加固沉降最大值為4cm,長短樁混合加固沉降最大值為5.6cm,長短樁加固方法能夠在保證加固效果的同時降低工程造價。

(4)相對于全短樁加固方法,長短樁加固有利于降低路堤底部軟土地層的應力,將上部荷載傳遞至持力層。