灰土擠密樁加固濕陷性黃土路基效果分析

楊 松

（新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

引言

我國西南地區存在大量的濕陷性黃土，因其具有結構疏散、孔隙發育以及雨水潰散等特點，嚴重影響工程的安全。多年以來，國內學者對此進行了一系列研究：趙建文、卵忠軍[1-2]以濕陷性黃土地區工程為研究對象，采用灰土擠密樁加固建筑地基，結果表明，采用灰土樁加固后結構的沉降明顯減小，且能滿足工程要求。王亮、王雪浪等[3-4]以濕陷性黃土地區高速公路建設為研究對象，采用灰土樁進行地基處理，并對灰土樁的相關參數進行了細致分析，研究表明灰土樁加固濕陷性黃土路基方法是奏效的。王奔、劉雙等[5-6]以路基處理為例，分析了擠密樁加固特點，并將灰土擠密樁與素土擠密樁加固效果進行了對比分析，研究成果可為工程提供有利經驗。金德福、石杰榮等[7-8]介紹了灰土樁具有施工速度快、成本低等優點，并將灰土樁應用到工程施工中，據提供的監測可知，灰土樁加固地基可以有效地減小路基沉降，提高路基承載力，消除黃土濕陷性。

1 工程概況

濕陷性黃土地區某公路路面下穿涵洞，兩處不同土質的涵洞分別標注為涵洞1 和涵洞2，二者分別采用灰土置換和灰土擠密樁加固施工。涵洞1 從下往上依次為黃土、素填土、灰土層和路基填土，厚度依次為22 m、1 m、2 m 和6 m，涵洞2 從下往上依次為黃土、擠密土、灰土層和路基填土，厚度依次為22 m、6 m、2 m 和6 m。涵洞2 處設計的灰土擠密樁樁設計長為6 m，樁徑為40 cm，樁間距為1.0 m。

2 數值建模與分析

2.1 模型建立

圖1 為采用有限元軟件Midas/GTS 軟件建立的數值模型。路基的頂部寬度取值為12 m，高度為4.5 m，坡率為1 ∶1.5。模型整體寬度為60 m，模型長度（垂直路基截面方向）取70 m，土基高度為25 m，涵洞高度為6 m。兩處不同的涵洞1 和涵洞2 分別采用灰土置換和灰土擠密樁加固施工。（1）模型一中黃土、素填土、灰土層和路基填土的厚度依次為22 m、1 m、2 m 和6 m，除混凝土的本構模型采用彈性模型外，其他均采用摩爾-庫倫本構模型。（2）模型二中黃土、擠密土、灰土層和路基填土的厚度依次為22 m、6 m、2 m和6 m，除混凝土的本構模型采用彈性模型外，其他的均采用摩爾-庫倫本構模型。灰土擠密樁樁設計長為6 m，樁徑為40 cm，樁間距為1.0 m，建模均采用實體單位模擬。模型除上邊界外，其他邊界均進行位移約束，模型中各土層材料的參數取值見表1。

圖1 數值模型

表1 模型的物理力學參數

2.2 模擬過程

模擬過程中主要施工步驟：（1）模型建立；（2）初始地應力計算；（3）涵洞地基處理；（4）涵洞設置；（5）道路與涵洞過渡段回填直至涵頂；（6）路基填筑施工至設計標高。

對于涵洞1，地基處理采用灰土換填的方式；對于涵洞2，地基處理采用灰土擠密樁地基處理的方式。

2.3 現場監測與數值模擬數據對比

圖2 為涵洞1 和涵洞2 復合地基的現場實測與數值模擬監測位移對比。涵洞1 和涵洞2 的現場實測得到的復合地基位移分別為34.3 mm 和25.1 mm，數值模擬得到的復合地基位移分別為32.1 mm 和23.2 mm，涵洞1 和涵洞2 的現場實測位移分別比對應的數值模擬結果大6.4%和7.6%。由于現場施工情況遠比數值模擬更為復雜，因此，認為現場監測數據略大是合理的，也說明了數值模擬結果的正確性與合理性。

圖2 現場實測與數值模擬監測位移對比

此外，數值模擬結果也說明，采用Midas/GTS 數值模擬軟件可以較好地反映灰土擠密樁復合地基施工和灰土換填施工，可以用來分析濕陷性地區地基加固施工。

3 灰土擠密樁加固地基效果分析

3.1 灰土擠密樁加固地基云圖分析

圖3 為涵洞2 最終沉降云圖，可知，最大沉降發生在復合地基的中心處，灰土擠密樁加固區的位移明顯小于同深度未加固區域，說明灰土擠密樁具有較好的加固效果。

圖3 涵洞2 最終沉降云圖

3.2 參數分析

為了分析各種參數變化對涵洞中心斷面路基沉降的影響，通過改變樁長、樁徑和樁間距進行分別分析。圖4 為涵洞中心斷面沉降隨樁長變化的規律，可知，隨著樁長的增加，涵洞中心斷面沉降逐漸減小。樁長分別取5 m、6 m 和7 m 時對應的沉降依次為29.28 mm、25.38 mm 和23.76 mm，相比于樁長取5 m 時，當樁長取6 m 和7 m 時對應的沉降依次減小了13.3%和18.9%。即隨著灰土擠密樁樁長的增大，可以有效減小路基沉降，但減小速率隨樁長的增大而減小，工程中可以通過合理設計樁長來減小路基沉降并保證施工經濟。

圖4 涵洞中心斷面沉降隨樁長變化規律

涵洞中心斷面沉降隨樁徑變化的規律見圖5，可知，隨著樁徑的增加，涵洞中心斷面沉降逐漸減小。樁徑分別取0.35 m、0.4 m 和0.45 m 時對應的沉降依次為27.83 mm、25.38 mm 和24.41 mm，相比于樁徑取0.35 m 時，當樁徑取0.4 m 和0.45 m 時對應的沉降依次減小了8.8%和12.3%，即隨著灰土擠密樁樁徑的增大，使得路基沉降明顯減小，且減小速率隨樁徑的增大而減小，綜上可知，工程中可以通過合理設計樁徑來減小路基沉降。

圖5 涵洞中心斷面沉降隨樁徑變化的規律

涵洞中心斷面沉降隨樁間距變化的規律見圖6，可知，隨著樁間距的增加，涵洞中心斷面沉降逐漸增大。樁間距分別取0.8 m、1.0 m、1.5 m 時對應的沉降依次為24.79 mm、25.38 mm、27.69 mm，相比于樁間距取0.8 m 時，當樁間距取1.0 m 和1.5 m 時對應的沉降依次增大了2.4%和11.7%，即隨著灰土擠密樁樁間距的增大，路基沉降增大，且增大速率隨樁間距的增大而增大，工程中可以通過合理設計樁間距來保證路基沉降滿足要求，同時使得施工經濟合理。

圖6 涵洞中心斷面沉降隨樁間距變化規律

4 結語

（1）涵洞1 和涵洞2 的現場實測位移與數值模擬結果相近，說明數值模擬可以較好地反映灰土擠密樁復合地基施工和灰土換填施工，可以用來分析濕陷性地區地基加固施工。（2）計算后最大沉降發生在復合地基的中心處，灰土擠密樁加固區的位移明顯小于同深度未加固區域，說明灰土擠密樁具有較好的加固效果。（3）隨著灰土擠密樁樁長、樁徑的增大，路基沉降明顯減小，且減小速率隨樁長和樁徑的的增大而減小；隨著灰土擠密樁樁間距的增大，路基沉降增大，且增大速率隨樁間距的增大而增大。工程中可以通過合理設計樁長、樁徑和樁間距來保證路基沉降滿足要求，同時使得施工經濟合理。