粉噴樁加固高速公路軟土地基的應用效果分析

陳俊彥

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 山西 太原 030032)

軟土地基的承載力弱、滲透性差、壓縮性大，需采取加固措施才能使其承載力達到公路設計要求。為此，國內(nèi)外學者對加固軟土地基的方法展開了大量研究。洪景春分析了采用粉噴樁處理埋置厚度大于3 m的軟土地基的加固機理、施工流程及施工效果。謝騰驍采用粉噴樁處理公路軟土路基，并對其加固效果進行了數(shù)值分析。杜毅研究了不同碎石樁埋深、碎石樁間距、地基彈性模量及路堤填方高度對路堤變形的影響，分析了路堤位移和應力變化規(guī)律。袁玉卿等采用碎石樁復合地基處治方法減小粉砂土拼接路基的沉降，并通過數(shù)值模擬分析了碎石樁長度及模量、樁間土模量及黏聚力對沉降的影響。軟土地基加固方法多樣，針對不同地質(zhì)條件應選擇最有效的加固方法。該文依托某高速公路軟土路段，通過數(shù)值分析研究粉噴樁加固軟土地基的土體應力和變形規(guī)律及加固效果，為粉噴樁應用于類似地質(zhì)條件軟土地基加固提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路全長102.4 km，路面寬19.5 m，雙向四車道。路堤填筑高度6 m，分6層填筑，每次填筑高度1 m。共有21處軟土路段，最長2.1 km，最短160 m，共約7.8 km。軟土路段的地表淺部軟土層基本呈不規(guī)則條帶狀分布，以粉質(zhì)黏土層為主，含少量粉土層及軟弱土層。土層參數(shù)見表1。

表1 軟土路段的土層參數(shù)

由于軟土路段的承載能力較低，為保障路基的安全，采用粉噴樁+碎石墊層進行加固。粉噴樁長8 m，樁徑0.5 m，樁間距1.5 m，呈梅花形布置，樁身強度≥750 kPa。路堤底部增設碎石墊層，厚度0.5 m。軟土層分布及樁體布置見圖1。

圖1 軟土層分布及樁體布置示意圖(單位：m)

2 建立有限元模型

以軟土路段某截面的土層分布和加固設計參數(shù)為依據(jù)，運用有限元軟件ANSYS建立數(shù)值模型。模型尺寸為長42 m×寬10 m×高14 m，共包含4 176個單元、6 324個節(jié)點(見圖2)。模型中粉噴樁采用線彈性模型模擬，彈性模量為55 MPa，黏聚力為4.7 kPa，內(nèi)摩擦角為35°，泊松比為0.20。路基采用Drucker-Prager本構模型模擬。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

分析過程遵循以下假定條件：不考慮活載作用，僅考慮土體自重的影響；粉噴樁、碎石墊層材料均視為同性均質(zhì)材料，土體視為理想彈塑性體；地基、樁體、路基及土體間的接觸面均視為完全連續(xù)。

約束條件：模型左右兩側(cè)設置為自由界面，對前后兩側(cè)進行水平位移約束，地基底部施加水平和豎向位移約束。

3 路堤填筑過程中應力及變形分析

運用有限元數(shù)值模型，對路堤填筑過程中地基樁土體應力、地表沉降及樁體變形變化進行分析。

3.1 樁土體應力

分別計算路堤填筑高度為2、4及6 m時地基豎向應力，不同路堤填筑高度下地基豎向應力分布見圖3。

圖3 不同路堤填筑高度下地基豎向應力分布(單位：Pa)

由圖3可知：在不同路堤填筑高度下，土體豎向應力分布大致呈斜條狀，應力大小沿地基表面向地基底部逐漸增大，且斜度隨著填筑高度的增大而增大。樁體豎向應力遠大于樁間土體應力，其中路基底部中心線位置的樁土體豎向應力最大，靠近路基兩側(cè)的樁土體豎向應力較小，且隨著路堤填筑高度的增大，越靠近路基中心線的樁土體豎向應力增幅越大。填筑高度達到6 m時，地基中心樁體和樁間土體承受的豎向應力均達到最大值，分別為275和125 kPa。

3.2 地基表面沉降

分別計算路堤填筑高度為2、4及6 m時地基沉降，不同路堤填筑高度下地基沉降見圖4。

圖4 不同路堤填筑高度下地基沉降

由圖4可知：隨著路堤填筑高度的增大，地基表面沉降呈較大增大趨勢，且越靠近路基底部中心線樁土體沉降越大。填筑高度為2 m時，路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降出現(xiàn)在28 m處，約為34.4 mm；外側(cè)地基出現(xiàn)較小沉降。填筑高度為4 m時，路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降出現(xiàn)在24 m處，約為48.7 mm；外側(cè)地基出現(xiàn)較小程度隆起，最大幅度為2.1 mm。填筑高度達到6 m時，路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降出現(xiàn)在21 m處，約為66.7 mm；外側(cè)地基隆起幅度增大，最大達4.4 mm。表明隨著路堤填筑高度的增大，地基表面最大沉降最終出現(xiàn)在路基底部中心線，路基外側(cè)地基后出現(xiàn)一定程度隆起。

3.3 樁體位移分析

計算路堤填筑完成后樁體位移，不同位置樁體位移變化見圖5。

由圖5可知：路堤填筑完成后，不同位置加固樁的水平位移變化不同，靠近路堤底部中心位置樁體主要承受豎向壓力，樁體發(fā)生較大豎向位移，但水平位移較小，且越靠近路基中心樁體水平變形越小；靠近路基外側(cè)樁體主要承受側(cè)向壓力，樁體出現(xiàn)較大水平位移，主要表現(xiàn)為彎曲變形，且越靠近路基兩側(cè)樁體水平位移越大，但豎向位移相對中心樁體小很多。表明不同位置加固樁具有不同的加固作用，合理設置樁體布置形式有利于地基加固。

圖5 路堤填筑完成后樁體水平位移化

4 粉噴樁加固效果分析

為研究粉噴樁加固高速公路軟土地基的效果，分別針對有無樁體加固的地基沉降和土體水平位移變化進行對比分析。

4.1 地基沉降對比分析

分別計算路堤填筑高度為2、4及6 m，有無加固樁時地基表面沉降，結果見圖6。

圖6 不同填筑高度下有無加固樁時地基表面沉降

由圖6可知：在路堤填筑過程中，無粉噴樁加固的地基沉降始終大于有樁加固地基，且隨著路堤填筑高度的增大，無樁加固的地基沉降增長趨勢較大，主要表現(xiàn)為路基內(nèi)側(cè)地基下沉幅度較大，路基外側(cè)地基出現(xiàn)隆起。采用粉噴樁加固后，隨著路堤填筑高度的增大，路基外側(cè)地基隆起現(xiàn)象有所收斂，填筑高度為2、4及6 m時路基內(nèi)側(cè)地基最大沉降分別減小11.3%、16.4%和22.7%，路堤填筑完成后地基沉降得到較大程度減小，表明采用粉噴樁加固可有效降低軟土地基的沉降。

4.2 土體水平位移對比分析

分別計算路堤填筑完成后有無加固樁時土體水平變形，結果見圖7。

圖7 有無樁加固時土體水平位移

由圖7可知：在路堤填筑過程中，無粉噴樁加固土體水平位移大于有樁加固土體，且越靠近路基底部兩側(cè)土體水平位移差異越大，而靠近路基底部中心位置土體水平位移差異不大。原因是中心樁體和土體主要受到豎向應力作用，其產(chǎn)生的水平變形較小。采用粉噴樁加固后，中心樁體9#的水平位移減小約8.1%，減小幅度較小，而路基底部兩側(cè)樁體1#和5#的水平位移分別減小約18.2%、12.7%，減小幅度較大。表明采用粉噴樁加固對于減小路基底部兩側(cè)土體水平位移效果更明顯。

5 結論

(1) 土體豎向應力分布大致呈斜條狀，應力大小沿地基表面向地基底部逐漸增大，且斜度隨著路堤填筑高度的增大而增大。

(2) 隨著路堤填筑高度的增大，地基表面最大沉降最終出現(xiàn)在路基底部中心線，路基外側(cè)地基后出現(xiàn)一定程度隆起。

(3) 路堤填筑完成后，靠近路堤底部中心位置的樁體主要承受豎向壓力，越靠近路基中心樁體水平變形越小；靠近路基外側(cè)的樁體主要承受側(cè)向壓力，越靠近路基兩側(cè)樁體水平位移越大。

(4) 采用粉噴樁加固后，路基外側(cè)地基隆起現(xiàn)象有所收斂，路基內(nèi)側(cè)地基沉降最大減小22.7%，有效降低了軟土地基沉降變形。

(5) 粉噴樁加固對于減小路基底部兩側(cè)土體水平變形的效果顯著，對于減小路基底部中心樁體水平變形的效果較弱。