不同樁體加固軟弱地基的固結(jié)沉降分析

唐睆

(湖南省公路設(shè)計有限公司， 湖南 長沙 414000)

對軟弱路基進(jìn)行大挖大填既不經(jīng)濟(jì)也不合理。研究發(fā)現(xiàn)，向軟弱地基中增設(shè)豎向樁體既能達(dá)到擠密原有土體和局部置換的作用，還能利用增強(qiáng)體和軟弱地基形成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載，是一種有效的軟基處理措施。根據(jù)樁體材料的剛度大小通常分為剛性樁、半剛性樁和柔性樁。針對不同剛度樁體加固軟弱地基的效果，唐建中等研究了水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)的工程特性，指出CFG樁加固軟弱地基具有沉降小、沉降穩(wěn)定快等特點；徐毅等研究了CFG樁復(fù)合地基的沉降規(guī)律，提出了樁體間距等設(shè)計參數(shù)取值建議；譚新昱通過有限元分析和現(xiàn)場實測，研究了水下擠密砂樁對軟土地基的處理效果，得到了指數(shù)曲線和雙曲線沉降預(yù)測模型；欒光日等利用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)砼(PHC)樁和CFG樁處理高鐵站場的復(fù)合地基，分析了不同寬度、不同樁型和樁長下地基沉降變化規(guī)律。該文以某軟弱填方路基為對象，分析剛性樁和柔性樁對深厚軟弱路基的加固效果，為軟弱路基樁基設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

某高速公路填方路段路基主要為深厚軟塑粉質(zhì)黏土，其干強(qiáng)度低，具有弱膨脹性。黏土層以下為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖呈破碎狀，構(gòu)造層理不清晰；中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育一般，部分巖石被節(jié)理、裂隙分割，錘擊聲不清脆，回彈小。粉質(zhì)黏土上部為厚2.5 m素填土。各土層參數(shù)見表2。

表1 土層參數(shù)

1.2 填方路基概況

該擬建雙向四車道高速公路區(qū)段路基寬度為20 m，填方坡率為1∶1.5，填方高度為8 m，分2次填筑，每次填筑4 m。

由于填方高度較大，天然地基不能滿足設(shè)計要求，需設(shè)置樁基對地基土進(jìn)行加固。擬定剛性樁(C30砼樁)和柔性樁(擠密砂樁)2種方案進(jìn)行對比分析。2種方案的設(shè)計參數(shù)相同：樁徑0.8 m；樁間距2.4 m；樁長11.5 m；墊層厚度0.5 m。

2 有限元模型建立及分析

MIDAS GTS NX是一款針對巖土工程開發(fā)的計算軟件，具有豐富的本構(gòu)材料模型庫，其滲流固結(jié)分析模塊能根據(jù)工程概況定義排水條件和固結(jié)條件，模擬軟弱填方路基隨著時間的排水固結(jié)沉降。因此，采用MIDAS GTS NX進(jìn)行該工程軟基加固有限元分析。

2.1 有限元模型建立

該工程路基寬度為24 m，高度為8 m，按1∶1.5坡率填筑，路基底寬48 m。為避免模型尺寸對填筑路基固結(jié)分析的影響，模型橫向?qū)挾仍O(shè)置為路基底寬的3倍即144 m，高度不小于樁長的3倍，取35 m。模型尺寸見圖1。

圖1 有限元模型幾何尺寸示意圖(單位：m)

2.2 材料參數(shù)

土體全部采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，樁體頂部的碎石墊層符合摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，采用摩爾-庫倫模型。擠密砂樁破壞時主要表現(xiàn)為自身鼓脹破壞及剪切破壞，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。砼樁剛度大，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系更符合彈性模型，故砼樁采用彈性本構(gòu)模型。模型參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)取值

2.3 邊界條件

不考慮有限元模型中路基土與中風(fēng)化路基土層之間的微小相對位移及土體橫向范圍內(nèi)的擠壓變形，在模型底部設(shè)置水平向和豎向約束條件，同時設(shè)置側(cè)向水平位移限制。在排水固結(jié)條件中，擠密砂樁和碎石墊層的滲透性較好，認(rèn)為在上部填土荷載作用下能成為黏土的固結(jié)排水通道，故設(shè)置為排水條件。地表為天然排水通道。填方路基材料采用的都是合格土石，認(rèn)為其不發(fā)生固結(jié)，設(shè)置為非固結(jié)條件。砼剛性樁剛度大，密實度高，不考慮其作為豎向排水通道。有限元模型的邊界條件設(shè)置見圖2和圖3。

圖2 擠密砂樁加固路基邊界模型

圖3 剛性樁加固路基邊界模型

2.4 施工階段模擬

模擬該軟弱地基的處理過程，主要過程為初始應(yīng)力狀態(tài)自平衡(位移清零)，激活地表排水條件→樁和墊層施工(位移清零)，激活對應(yīng)排水邊界→第一層路基填筑(填土高2 m)→第二層路基填筑(填土高4 m)→第三層路基填筑(填土高4 m)→靜置1年。

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 超孔隙水壓力

土體在受到上部荷載作用時，土中原有的水壓力上升，增大的這部分水壓力即為超孔隙水壓力。超孔隙水壓力的消散伴隨著黏土的固結(jié)。靜置1年后擠密砂樁和砼樁支護(hù)下填方路基孔隙水壓力分別見圖4、圖5。

從圖4、圖5可看出：填方路基填筑1年后，采用擠密砂樁加固的路基正下方軟弱黏土層的超孔隙水壓力已基本消散，僅在路基左右兩側(cè)存在較小的超孔隙水壓力，且左右對稱，最大超孔隙水壓力為4.8 kPa。采用砼樁加固的路基正下方軟弱黏土層的超孔隙水壓力表現(xiàn)為明顯的水平分布，最大超孔隙水壓力為16.7 kPa；地表以上為排水條件和非固結(jié)條件，其超孔隙水壓力為零；自軟黏土以下，超孔隙水壓力逐漸增大。原因是黏土層中孔隙水受到上部填土荷載的作用產(chǎn)生超孔隙水壓力，且由于黏土的滲透系數(shù)較差一直難以消散。說明土體的固結(jié)程度較低，在后期長時間汽車荷載作用下可能再次發(fā)生固結(jié)沉降，從而影響行車舒適性和安全性。

圖4 擠密砂樁加固路基超孔隙水壓力云圖(單位：kPa)

圖5 砼樁加固路基超孔隙水壓力云圖(單位：kPa)

選取路基中心對應(yīng)的原地面點，整理不同樁型支護(hù)下軟弱路基的超孔隙水壓力隨時間的變化，結(jié)果見圖6、圖7。

圖7 砼樁加固路基時間-超孔隙水壓力變化曲線

從圖6可看出：采用擠密砂樁加固軟弱路基時，在回填路基土的過程中，軟弱地基的超孔隙水壓力急劇增大，填土完成后超孔隙水壓力逐漸減小，施工150 d左右超孔隙水壓力逐漸減小至零，基本完成排水固結(jié)。從孔隙水壓力減小速率來看，擠密砂樁不僅能起到承擔(dān)上部荷載的作用，還能加速原有軟弱路基的排水固結(jié)，提高軟土的抗剪強(qiáng)度，從而提高復(fù)合地基的整體承載力。

圖6 擠密砂樁加固路基時間-超孔隙水壓力變化曲線

從圖7可看出：由于砼樁的滲透性較小，隨著砼樁的施工，軟弱路基的超孔隙水壓力逐漸增大，填土完成時地基土的超孔隙水壓力最大達(dá)到12 kPa；之后隨著時間的推移，超孔隙水壓力逐步減小，靜置1年后超孔隙水壓力減小至4 kPa左右。采用砼樁加固軟土?xí)r超孔隙水壓力變化速率比采用擠密砂樁時小，這是因為剛性樁的滲透性較差，基本不能成為超孔隙水壓力的排水通道，黏土和剛性樁形成的復(fù)合地基的滲透性較差。

3.2 沉降分析

不同樁體加固軟弱路基的最終沉降見圖8、圖9。從圖8、圖9可看出：采用擠密砂樁和砼樁對軟弱路基進(jìn)行加固，排水固結(jié)后，沉降均表現(xiàn)為路基中央較大，并向路基兩側(cè)遞減的U形分布。采用擠密砂樁加固，路基的最大沉降約13 cm；采用砼樁加固，路基最大沉降為4.32 cm。剛性樁加固軟弱路基的沉降值小于擠密砂樁加固軟弱路基，這是因為砼樁的剛度比擠密砂樁大，且樁端嵌固在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中，上部填方路堤荷載主要由砼樁承擔(dān)，樁間土承受的荷載較小，其壓縮沉降較小。另外，砼樁不能形成排水通道，黏土層的孔隙水壓力不能及時排除，因而其固結(jié)沉降值較小。

圖8 擠密砂樁加固路基的最終沉降云圖(單位：m)

圖9 砼樁加固路基的最終沉降云圖(單位：m)

路基中央軟弱地基地表位置的位移隨時間的變化見圖10、圖11。從圖10、圖11可看出：1) 由于不考慮樁基施工期間的沉降影響，0～31 d內(nèi)豎向沉降為零；隨著填方路基的施工，觀測點的豎向沉降逐漸增大，并且在第一次回填和第二次回填時存在較明顯的轉(zhuǎn)折點。這是因為第二次回填施工后，上部土體的重力增大。2) 2種樁型加固軟弱路基的沉降規(guī)律基本一致。砼樁的總體沉降比擠密砂樁小，這是因為砼樁的剛度遠(yuǎn)大于擠密砂樁，承擔(dān)了更多上部荷載，更多的是起到“樁基托底”的作用。2種方案的沉降都滿足規(guī)范要求。擠密砂樁的最終沉降為12 cm左右，基本完成了軟土的固結(jié)沉降，后期沉降不大，能滿足通車運行要求。砼樁雖然總體沉降小，但沉降變化趨勢較大，也存在一定的超孔隙水壓力，通車后可能產(chǎn)生不均勻工后沉降，影響行車。

圖10 擠密砂樁加固路基的時間-沉降曲線

圖11 砼樁加固路基的時間-沉降曲線

4 結(jié)論

(1) 采用擠密砂樁加固軟弱路基能形成排水通道，超孔隙水壓力的增大和減小速率都比砼樁加固軟弱路基大。

(2) 采用擠密砂樁加固的軟弱路基靜置1年后，超孔隙水壓力基本消散，完成了路基土的排水固結(jié)。采用砼樁加固的軟弱路基仍存在一定超孔隙水壓力。

(3) 擠密砂樁加固軟弱路基的總沉降比砼樁加固軟弱路基大，這與樁體剛度和軟弱路基的排水固結(jié)沉降有關(guān)。

(4) 加固完成靜置1年后，擠密砂樁加固軟弱路基的沉降已基本穩(wěn)定，而砼樁加固軟弱路基在通車運營中還可能產(chǎn)生固結(jié)沉降，會對行車造成一定影響。