水泥砂漿樁加固軟土路基效果及參數影響分析

■鐘偉珊

（廣東粵路勘察設計有限公司，廣州 510630）

近年來，我國高鐵建設事業蓬勃發展，在建設過程中常常遇到軟土地基情況， 加劇了施工的難度，如何對軟土地基進行加固，成為了工程師們重點關注的問題。 相關學者進行了一些研究，主要有：金海元、王顯利等[1-2]以某高速鐵路路基處理為研究對象，采用水泥砂漿樁進行地基加固處理，并對施工完成后一年內的路基沉降進行了觀測分析，結果表明，路基沉降已基本穩定，沉降完成比例在90%以上，滿足高鐵路基沉降控制標準，也說明了水泥砂漿樁在軟土路基加固中的有效性和可行性。 譚遠發、羅志生等[3-4]以某鐵路項目為研究對象，研究分析了水泥砂漿樁在處理15 m 軟土中的效果， 研究表明，水泥砂漿樁加固軟土效果良好，具有推廣的價值。 郭鑠、王馳等[5-6]以某鐵路工程軟基處理為研究對象，重點研究了水泥砂漿樁處理軟基的加固機理、施工工藝、參數取值和加固效果，結果表明，采用水泥砂漿樁處理軟基是可行的，最后對相關施工工藝進行了深入研究。 甘興旺[7]通過分析得出水泥砂漿樁作為一種新型軟基處理形式，具有加固效果好、施工方便等特點，并對該方法加固機理、施工工藝、設計參數和注意事項進行了詳細介紹。 本文以某鐵路工程采用水泥砂漿樁加固為研究對象，采用有限元軟件PLAXIS 建立數值分析模型， 分析了水泥砂漿樁加固路基效果，重點討論了參數變化對路基沉降變形的影響，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

某鐵路工程穿越軟土地區， 路面寬度為24.5 m，擬采用水泥砂漿樁進行加固處理，地基加固主要以粉質黏土為主， 持力層區主要以黏土為主，水泥砂漿樁加固路基如圖1 所示， 路堤土高度為4.5 m，其中砂石墊層厚度為0.5 m，粉質黏土和黏土高度均為8 m。 路基的頂部寬度和高度分別為12.25 m 和4.5 m，坡率為1∶1.5，施工時采用分層鋪填碾壓的方法。 水泥攪拌樁設計樁長為10 m，樁徑為0.5 m，樁間距為1.3 m。

圖1 水泥砂漿樁加固路基示意圖

2 數值建模

采用有限元軟件PLAXIS 建立的數值模型，如圖2 所示。 由于路基的對稱性，取右半幅進行分析，路基的頂部寬度和高度分別為12.25 m 和4.5 m，坡率為1∶1.5，模型整體寬度為50 m，模型長度取10 m，模型整體高度為20.5 m，砂石墊層厚度為0.6 m。水泥砂漿樁長為10 m，其中加固區和持力層分別為8 m 和2 m，樁徑為0.5 m，樁間距為1.3 m。采用摩爾-庫倫本構模型模擬分析，除上邊界外，模型其他邊界均進行位移約束。

圖2 數值模型圖

土層材料的物理力學參數見表1，路堤土和砂石墊層均為排水，加固區為不排水。 樁與土工格柵的材料參數見表2。

表1 土層材料的物理力學參數

表2 水泥砂漿樁與土工格柵的物理力學參數

3 現場監測與數值模擬對比分析

驗證數值模擬方法的可行性，數值模擬和現場實測值對比如圖3 所示。 由圖3 可知，二者吻合良好，誤差在10%之內，驗證了本文模擬過程和方法的準確性，可用于后續的拓展分析。

圖3 數值模擬和現場實測值對比曲線

4 數值結果分析

4.1 加固效果分析

對水泥砂漿樁加固路基效果進行分析，加固處理前后路基沉降如圖4 所示。 由圖4 可知，加固前路基最大沉降值約為170 mm，加固后路基沉降值為90 mm 左右。 因此，采用水泥砂漿樁加固路基具有較好的效果。

圖4 加固處理前后路基沉降云圖

為了更加直觀的顯示水泥砂漿樁加固路基效果，加固前后路堤監測點沉降表如表3 所示。由表3可知，采用水泥砂漿樁加固之后，路面的沉降減小40%以上，靠近路基兩側減小程度略小。

表3 加固前后路堤監測點沉降

4.2 參數變化對路基沉降變形影響分析

為了探索參數變化對路堤沉降的影響，本節重點分析樁間距、樁長、樁身剛度變化以及有無墊層和土工格柵對路基沉降變形的影響。

樁間距變化對路基沉降的影響。 以樁間距取1.0 m、1.3 m 和1.6 m 為例進行分析，樁間距變化對路基沉降影響曲線如圖5 所示。 由圖5 可知，隨著樁間距的減小，路基沉降有減小的趨勢。 以路基正中心為例， 樁間距取1.6 m、1.3 m 和1.0 m 時路基沉降分別-88.16 mm、-84.89 mm、-81.83 mm， 相比于樁間距取1.6 m 時， 樁間距取1.3 m 和1.0 m 時路基值沉降減小了約3.7%和7.2%， 因此工程中可以通過減小樁間距的方法來降低路堤沉降，但同時也要考慮到，當樁間距過小時，樁間土作用難以發揮，且工程成本會增加，工程中應該合理的設計樁間距。

圖5 樁間距變化對路基沉降影響曲線

樁長變化對路基沉降的影響。 以樁長取8 m、10 m 和12 m 為例進行分析，樁長變化對路基沉降影響曲線如圖6 所示。 由圖6 可知，隨著樁長的增大，路基沉降逐漸減小。 以路基正中心為例，樁長取8 m、10 m 和12 m 時路基沉降分別-99.39 mm、-86.82 mm 和-76.19 mm，相比于樁長取8 m 時，樁長取10 m 和12 m 時路基值沉降減小了約12.6%和23.3%，這是因為隨著樁長的增加，樁側摩阻力增大，路基承載力增大，故工程中可以通過增大樁長的方法來減小路堤沉降。

圖6 樁長變化對路基沉降影響曲線

樁身剛度變化對路基沉降的影響。 以樁身剛度取1×108N/m、2×108N/m 和3×108N/m 為例進行分析， 樁身剛度變化對路基沉降影響曲線如圖7 所示。 由圖7 可知，隨著樁身剛度的增大，路基沉降略有減小。 以路基正中心為例， 樁身剛度取1×108N/m、2×108N/m 和3×108N/m 時路基沉降分別-90.14 mm、-87.35 mm 和-86.08 mm， 相比于樁身剛度取1×108N/m 時，樁身剛度取2×108N/m 和3×108N/m 時路基值沉降減小了約3.1%和4.5%，由此可知，樁身剛度增加對減小路基沉降作用有限，工程中不優先考慮通過增大樁身剛度的方法來降低路基沉降。

圖7 樁身剛度變化對路基沉降影響曲線

墊層對路基沉降的影響。 對有墊層和無墊層兩種工況進行對比分析，有無墊層時路基沉降影響曲線如圖8 所示。 以路基正中心為例，無墊層時路基沉降為-90.58 mm，有墊層時路基沉降為-83.69 mm，有墊層時路基值沉降相比無墊層時減小了約7.6%，由此可知， 通過設置墊層可以有效地降低路基沉降，其主要是通過將路基荷載均勻的分散給路基來實現的。

圖8 有無墊層變化對路基沉降影響曲線

土工格柵對路基沉降的影響。 對有土工格柵和無土工格柵兩種工況進行對比分析，有無土工格柵時路基沉降影響曲線如圖9 所示。 以路基正中心為例，無土工格柵時路基沉降為-85.87 mm，有土工格柵時路基沉降為-84.02 mm，有土工格柵時路基值沉降相比無土工格柵時減小了約2.2%，由此可知，通過設置土工格柵對降低路基沉降基本無效果，現有的研究表明，土工格柵對路基抗裂性有較好的效果。

圖9 有無土工格柵變化對路基沉降影響曲線

5 結論

本文以某鐵路工程采用水泥砂漿樁加固為研究對象， 采用有限元軟件PLAXIS 建立數值分析模型，分析了水泥砂漿樁加固路基效果，重點討論了參數變化對路基沉降變形的影響，得出以下結論：

（1）數值模擬和現場實測值對比曲線吻合良好，誤差在10%之內，驗證了本文模擬過程和方法的準確性。 采用水泥砂漿樁加固路基具有較好的效果，加固后路面的沉降減小40%以上。

（2）通過減小樁間距可以降低路堤沉降，但當樁間距過小時，樁間土作用難以發揮，且工程成本會增加，工程中應該合理的設計樁間距。 隨著樁長的增加，樁側摩阻力增大，路基承載力增大，工程中可以通過增大樁長的方法來減小路堤沉降。 樁身剛度增加對減小路基沉降作用有限，工程中不優先考慮通過增大樁身剛度的方法來降低路基沉降。

（3）通過設置土工格柵對降低路基沉降基本無效果；通過設置墊層可以有效地降低路基沉降，其主要是通過將路基荷載均勻的分散給路基來實現的。