碎石樁復合地基處理加固軟土路基效果分析

趙 鵬 譚 威 馮 超

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，烏魯木齊 830006)

城市道路建設過程中經常遇到軟土等特殊情況，需要采用路基加固的手段進行處理。碎石樁作為一種簡單、經濟的軟土路基加固方法之一， 在工程中得到了廣泛的應用。所謂碎石樁，是以碎石為主要材料制成的復合地基加固樁，近年來，國內有關學者進行了相關研究，主要有：劉望坤、王健等[1-2]結合城市道路軟土地基設計、施工和檢測實例， 分析了碎石樁復合地基承載力和單樁極限承載力的關系， 總結出了檢測碎石樁單樁極限承載力的靜載試驗方法， 并通過對碎石樁單樁極限承載力進行的單樁靜載試驗數據分析驗證了采用碎石樁復合地基加固地基的處理方法是可行的；趙翠英、劉鋒等[3-4]介紹了碎石樁復合地基在二維數值分析中平面應變和軸對稱單元的等效轉換，通過一個算例對比了兩者的計算結果，結果顯示兩種方法均可反映碎石樁復合地基的沉降及樁間土的固結情況， 這為預測碎石樁復合地基的加固效果和修正設計參數提供了參考；周振海、萬忠倫等[5-6]結合實際工程介紹了碎石樁與CFG 樁組合處理軟土地基的施工技術和質量要求，并將CFG 樁、碎石樁的靜載荷試驗檢測結果與理論計算結果相比較， 結果表明加固后的復合地基承載力和沉降量滿足工程設計的要求， 該方法對淤泥軟土地基的處理具有實際價值和廣闊的市場前景；張鵬、孫平等[7-8]以福州至平潭高鐵松下車站為依托，采用彈塑性有限元法， 在模擬列車移動荷載的基礎上對軟土路基在采用CFG 樁加固前后的動力響應進行分析，研究了豎向速度、加速度及壓應力的一般規律。本文主要以某城市道路工程為例， 采用有限元軟件ABAQUS 建立數值模型， 重點分析了采用碎石樁加固和未采用加固措施前后地基的豎向沉降、水平位移和豎向應力變化規律，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某軟土地區道路工程路基擬采用碎石樁復合地基加固方法。路基寬度設計值為28.0 m，高度為3.5 m，坡率按照1∶1.5 設計，施工時采用分層鋪填碾壓的方法。 碎石樁長為10 m，樁徑為0.8 m，樁間距為3.0 m，為了分析碎石樁復合地基的處理效果，本文采用數值模擬的方法。土體從上至下包括4 部分，依次為路堤填土、砂礫墊層、加固區和持力層，其中一排碎石樁的數量為13 根，圖1 為路堤結構示意圖。

圖1 路堤結構示意圖

2 數值建模

圖2 為采用大型有限元軟件ABAQUS 軟件建立的數值模型圖。 由于對稱性，僅選取右半側進行建模分析，路基的頂部寬度取值為14.0 m，高度為3.5 m，坡率為1∶1.5，施工時采用分層鋪填碾壓的方法。路堤坡底半幅寬度為19 m，模型整體寬度為40 m，模型長度取10 m，模型整體高度為23.5 m，砂礫墊層厚度為0.3 m，材質為中密砂，中間夾鋪土工格柵，厚度為2 mm。 碎石樁總長為10.0 m，采用結構單元進行模擬，樁間距為3.0 m，樁徑為0.8 m。 建模時，碎石樁的軸向剛度取3.2×106kN/m，抗彎剛度取7.0×104kN/m，等效厚度取0.50 m，重度取25 kN/m3，泊松比取0.2，彈性模量取100 MPa。 如圖2(a)所示，除上邊界外，其他邊界均進行位移約束，模型均采用摩爾-庫倫本構模型，表1 給出了各種材料的物理力學參數，路堤填土和砂礫墊層排水類型均為排水，其他為不排水。荷載形式為車輛荷載， 主要通過加載在路面單元節點上的集中力進行實現，本文模擬的車輛速度為60 km/h，荷載在每個單元作用時間取0.015 s，具體參見文獻[9]。

圖2 數值模型圖

表1 土體的物理力學參數

3 數值結果分析

本文主要對未采取處理措施和采取處理措施后的地基沉降、水平位移和豎向應力進行分析。

3.1 豎向沉降數值分析

路基沉降是反映路基安全狀態的最重要的指標之一。 圖3 為未采取處理措施和采取碎石樁加固處理措施后的路基沉降云圖， 規定向上方向為正方向。 由圖3 可知，路基表面正中心沉降最大，往兩側沉降逐漸減小。 對于未采取加固措施時，路基最大沉降值為12.83 mm；采取碎石樁加固處理措施后，路基最大沉降值為10.12 mm。相比于采取加固措施之前， 采取碎石樁加固后路基最大沉降減小了21.1%。

圖3 路堤沉降云圖

為了更加詳盡地分析采取處理措施前后的沉降，如圖4 所示，在地基(即路堤坡底水平面)位置設置9 個沉降監測點。 由圖4 可知，在地基中心沉降量最大，未采取措施時最大沉降值為11.31 mm，采取碎石樁加固后最大沉降值為8.42 mm。 采取碎石樁加固之后相比于未采取措施時地基沉降減小了25.7%。

圖4 采取處理措施前后地基沉降對比曲線

綜上可知， 碎石樁復合地基加固措施對于減小地基沉降效果顯著，采取碎石樁加固之后，上部荷載首先通過砂礫墊層均勻地下傳到復合地基上，由于碎石樁的存在，其自身剛度遠大于樁間土，因此在上部荷載的作用下，大部分的荷載將由碎石樁承擔。

3.2 水平位移數值分析

路基水平位移是反映路基安全狀態的又一重要指標。 圖5 示出了未采取處理措施和采取碎石樁加固處理措施后的路基水平位移云圖，規定以向右方向為正方向。由圖5 可知， 最大沉降發生在距離坡腳較近的地基下側， 對于未采取加固措施時， 路基最大水平位移值為2.11 mm；采取碎石樁加固處理措施后，路基最大水平位移值為1.33 mm。 相比于采取加固措施之前，采取碎石樁加固后路基最大水平位移減小了38.1%。

圖5 路堤水平位移云圖

為了更加詳盡地分析采取處理措施前后的地基水平位移，如圖6 所示，在地基平面上設置9 個監測點。 由圖6 可知，未采取措施時最大水平位移值為1.32 mm，采取碎石樁加固后最大水平位移值為1.01 mm， 最大位移值發生在距離地基邊界6 m 附近。 采取碎石樁加固之后相比于未采取措施時地基水平位移減小了22.7%。

綜上可知，施作碎石樁復合地基加固措施之后，會對地基產生一定的水平約束作用， 有效地減小了地基水平位移，這對于路基安全是非常有利的。

3.3 豎向應力數值分析

圖6 采取處理措施前后地基水平位移對比曲線

應力可以反映路基的受力狀態， 能夠側面說明路基的安全狀態。 圖7 示出了未采取處理措施和采取碎石樁加固處理措施后的路基豎向應力云圖。由圖7 可知，對于未采取加固措施時， 路基最大豎向應力值為10.1 kPa；采取碎石樁加固處理措施后， 路基最大豎向應力值為30.9 kPa。 相比于采取加固措施之前，采取碎石樁加固后路基最大豎向應力值增大了2.1 倍， 這與碎石樁增大了土體的抗壓能力有關。此外，對比圖7(a)和圖7(b)可知，采取碎石樁加固措施之后， 碎石樁頂的豎向應力值遠大于附近土體的豎向應力， 也說明碎石樁能夠很好地起到加固作用。

圖7 路堤豎向應力云圖

圖8 為采取處理措施前后地基豎向應力對比曲線，由圖8 可知，未采取措施時，地基中心處豎向應力最大，往兩側逐漸減小，而采取碎石樁加固后，地基最大應力發生變化，呈現出上下波動變化，主要在碎石樁部位豎向應力變大，在樁間土部位豎向應力減小。這說明由于碎石樁的存在，因此在上部荷載的作用下，碎石樁承擔大部分的荷載，起到較好的加固作用。

圖8 采取處理措施前后地基豎向應力對比曲線

4 結論

本文主要以某城市道路工程為例， 采用有限元軟件ABAQUS 建立數值模型， 重點分析了采用碎石樁加固和未采用加固措施前后地基的豎向沉降、 水平位移和豎向應力變化規律，得到以下結論：

(1)路基表面正中心沉降最大，往兩側沉降逐漸減小，相比于采取加固措施之前， 采取碎石樁加固后路基最大沉降減小了21.1%，地基最大沉降減小了25.7%。

(2)施作碎石樁復合地基加固措施會對地基產生一定的水平約束作用， 使得采取碎石樁加固之后相比于未采取措施時地基水平位移減小了22.7%， 路基最大水平位移減小了38.1%。

(3)采取碎石樁加固措施之后，碎石樁頂的豎向應力值遠大于附近土體的豎向應力， 相比于采取加固措施之前，采取碎石樁加固后路基最大豎向應力值增大了2.1 倍。

(4)碎石樁的存在，致使其自身剛度遠大于樁間土，因此在上部荷載的作用下，大部分的荷載將由碎石樁承擔，說明碎石樁能夠很好地起到加固作用。