長(zhǎng)短樁在公路軟土地基中的應(yīng)用研究

張麗君

(太原公路分局婁煩公路管理段 太原市 030012)

0 引言

由于我國(guó)地理?xiàng)l件特征,高等級(jí)公路工程建設(shè)中不可避免地會(huì)遇到特殊地質(zhì)。軟土具有含水量大、壓縮性高、承載力低等特點(diǎn)。劉松玉等在軟土地基處理中針對(duì)攪拌樁工藝問(wèn)題提出了雙向水泥土攪拌樁技術(shù),對(duì)比分析了雙向攪拌樁和傳統(tǒng)攪拌樁施工后的加固效果,認(rèn)為雙向攪拌樁工藝能夠提高攪拌樁的均勻性,消除冒漿現(xiàn)象,該工藝下的復(fù)合地基的承載能力較傳統(tǒng)方式更強(qiáng)[1]。魏星對(duì)公路軟土地基在交通荷載下的長(zhǎng)期沉降進(jìn)行了研究,通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了長(zhǎng)期荷載作用下沉降的變形計(jì)算模型,并采用三軸試驗(yàn)進(jìn)行了模擬試驗(yàn),驗(yàn)證了新計(jì)算模型的適用性及合理性[2]。李月光對(duì)影響軟土路基沉降的各因素進(jìn)行了梳理,在此基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)敏感因素在地基沉降中的影響程度進(jìn)行了研究,利用灰色理論進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,得出了各個(gè)影響因素的敏感系數(shù)[3]。左殿軍等分析了塑料套管混凝土樁加固軟土地基的作用機(jī)理,并進(jìn)行地表變形、樁應(yīng)力、孔隙水壓力等參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,樁帽和樁間土的差異性沉降最大值為30mm,樁的應(yīng)力集中隨樁土間的差異性沉降值降低而減小,塑料套管混凝土樁能夠有效控制路堤的水平位移,提高路堤的整體穩(wěn)定性[4]。趙亮等對(duì)比分析了CFG樁、碎石樁、CFG樁與碎石樁聯(lián)合加固三種不同方案在貴州某高速公路的處理效果,并認(rèn)為CFG樁基加固效果最佳[5]。張秀勇等結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段,對(duì)碎石樁復(fù)合地基加固軟土地基的效果進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,碎石樁復(fù)合地基可顯著改善深厚軟土地基穩(wěn)定性,提高其承載能力[6]。目前,對(duì)于軟土地基的處理方法很多,針對(duì)不同的工程地質(zhì)條件有不同的處理方案,但理論研究常常滯后于工程實(shí)際,關(guān)于柔性樁和剛性樁相結(jié)合的復(fù)合軟土地基處理方式的相關(guān)研究較少。文章采用Midas GTS NX軟件對(duì)長(zhǎng)短樁加固的軟土地基變形規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)合某高速公路工程實(shí)際進(jìn)行建模分析,以期為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某高速公路路基段路線總長(zhǎng)18.68km,其中樁號(hào)范圍K12+330.26～ K12+425.31段位于軟土地基上。該區(qū)段地勢(shì)西部較高,東部較低,平均海拔為1560m,高差達(dá)到154.2m,植被發(fā)育良好,灌木叢生。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,降雨量較大,年平均濕度在80%以上。文章選取的最不利路段為K12+380斷面處,如圖1所示。

圖1 K12+380橫斷面(單位:m)

根據(jù)地勘資料顯示,該地區(qū)的地震烈度為Ⅵ度,上覆第四系殘坡積層亞粘土、軟黏土,下伏二疊系灰?guī)r。該段路堤高度6m,下部存在軟土,厚度約7m,對(duì)路堤的穩(wěn)定性不利,不可直接使用。該處的地層自上而下為四層,分別為淤泥質(zhì)土、軟黏土、碎石土和灰?guī)r,其中淤泥質(zhì)土的厚度為3m,軟黏土層厚度為4m,碎石土層厚度為5m,最底層為較堅(jiān)硬的灰?guī)r。針對(duì)項(xiàng)目地質(zhì)情況,采用長(zhǎng)短樁加固地基的方法處理。路堤寬度為24m,高度為6m,坡率均為1∶1.5,見(jiàn)圖1。長(zhǎng)樁采用CFG樁,短樁采用水泥攪拌樁。短樁作用于軟土層,為長(zhǎng)7m的圓形樁,樁徑0.5m;長(zhǎng)樁穿過(guò)軟土層,達(dá)到持力層,樁長(zhǎng)15m,樁徑0.5m,長(zhǎng)短樁間距為2m,為加強(qiáng)樁和樁間土的共同作用,樁頂鋪設(shè)0.4m厚的級(jí)配碎石褥墊層。

2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

2.1 模型的建立

Midas GTS NX軟件涵蓋了巖土工程中常見(jiàn)的本構(gòu)模型,如摩爾—庫(kù)倫、鄧肯—張、修正劍橋—黏土模型等,具有良好的工程適應(yīng)性,因此文章采用Midas GTS NX軟件、2D平面模型進(jìn)行模擬計(jì)算。在模型建立時(shí),為減小邊界尺寸對(duì)模型運(yùn)算的影響,應(yīng)將模型的尺寸盡量增大,但模型尺寸過(guò)大又不利于模型的計(jì)算,根據(jù)填方高度等參數(shù)確定模型尺寸為72m×26m,具體如圖1所示。土層均采用平面應(yīng)變單元,選用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型;長(zhǎng)短樁均采用梁?jiǎn)卧獙傩浴椥员緲?gòu)模型,其余模型參數(shù)參照?qǐng)D1。劃分網(wǎng)格單元時(shí),將路堤劃分為6層,每層厚度為1m,以便模擬施工填筑。網(wǎng)格密度均為1m。有限元模型如圖2所示,模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)表

圖2 有限元模型

Midas GTS NX有限元軟件采用激活和鈍化單元模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)施,采用施工階段管理模塊對(duì)模型進(jìn)行施工階段模擬。模型建立完成后,首先施加重力和邊界條件,恢復(fù)原有的自重應(yīng)力狀態(tài),此時(shí)應(yīng)將位移清零,再實(shí)施加固結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)短樁和褥墊層單元激活,進(jìn)而分層(每層1m)填筑路基,分步激活每層路基單元,最后再進(jìn)行模型數(shù)據(jù)提取和分析。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1地基表面變形分析

(1)地基在填筑過(guò)程中的沉降分析

在施工階段的模擬中,路堤按照每次每層1m的進(jìn)度向上填筑,每層填筑后對(duì)地表變形情況進(jìn)行提取,如圖3所示。圖中,填1～填6表示自下而上的填筑。水平間距每間隔1m進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 路基填筑過(guò)程沉降變化規(guī)律

由圖3可知,路堤在填筑過(guò)程中,地基表面的沉降逐漸增大,每層填土后地基表面的最大沉降值約增大0.9cm,最大值為5.6cm。地基表面的沉降呈現(xiàn)出隨路堤填筑高度增大而逐漸向中線聚攏的增大趨勢(shì)。如填1和填6,填1施工后沉降曲線在路堤底部較為平緩均勻,而填6施工后路堤底部的沉降在路堤中線處較為突出,并且在路堤填筑過(guò)程中,路堤底面的地表沉降由均勻變化向鋸齒狀變化逐漸過(guò)渡。這是因?yàn)槁返坛侍菪畏植?導(dǎo)致填筑過(guò)程中地基表面的沉降中部增大明顯,同時(shí)鋸齒狀的地表沉降也體現(xiàn)出長(zhǎng)短樁作用于地基土層上時(shí),土層和樁體之間的不均勻沉降。

通過(guò)結(jié)果分析,在鋸齒狀分布的曲線上起伏最大的點(diǎn)往往是長(zhǎng)樁與地基表面的連接點(diǎn),鋸齒狀起伏較小的點(diǎn)是短樁與地基表面的連接點(diǎn),這也說(shuō)明長(zhǎng)樁、短樁與土體的共同作用中,土體的變形最大,其次是短樁部分,最后是長(zhǎng)樁端的變形。同時(shí),也說(shuō)明了長(zhǎng)短樁與土體之間的協(xié)同作用,短樁和土體直接共同作用,變形量較大,對(duì)土體的擠密作用較長(zhǎng)樁好。長(zhǎng)樁的作用更多是將上層土體的荷載傳遞到下層持力層,長(zhǎng)樁端部也更容易產(chǎn)生集中應(yīng)力。此外,從沉降的位置變化情況來(lái)看,模型中路堤填筑的影響范圍在路堤坡腳外3.5m,并且在路堤整個(gè)變形過(guò)程中,該影響范圍并沒(méi)有隨之?dāng)U大。

(2)地基在填筑過(guò)程中的水平位移分析

為了了解地基表面水平位移變化情況,每隔1m對(duì)地基表面進(jìn)行水平數(shù)據(jù)采集,如圖4所示。

圖4 路基填筑過(guò)程水平位移變化規(guī)律

圖4所示的水平位移正值表示向右側(cè)移動(dòng),反之向左。從圖中可知,水平位移值隨填筑高度的變化逐漸增大。每層土填筑后,水平位移的最大值出現(xiàn)在路堤的坡腳位置,并隨路堤填筑高度的變化逐漸變大,最大值為1.46cm,最大值出現(xiàn)的位置隨填筑高度增大,有從坡腳向路堤中線靠近的趨勢(shì)。

2.2.2不同工況下路基表面沉降的影響分析

為明確地基表面變形受不同加固形式的影響情況,現(xiàn)有其他條件不變的情況下,對(duì)全長(zhǎng)樁加固、全短樁加固、長(zhǎng)短樁混合加固下的三種工況進(jìn)行路基表面變形分析。對(duì)不同工況下地基表面的最終沉降變化進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同工況下地表沉降對(duì)比分析

由圖5可見(jiàn),三種工況下,地基表面變形曲線規(guī)律相同,呈中間大、兩端小的變化趨勢(shì)。其中僅短樁加固下的沉降最大,最大值達(dá)到9.3cm;全長(zhǎng)樁加固下的沉降最小,最大值為4cm;長(zhǎng)短樁混合加固下的最大值為5.6cm。可見(jiàn)僅短樁加固雖能在一定程度上擠密地基土,提高地基的承載能力,但無(wú)法將地基中的應(yīng)力有效傳遞到更深層,在路堤荷載作用下發(fā)揮加固作用有限。全長(zhǎng)樁加固作用效果雖然最好,但僅比長(zhǎng)短樁混合的加固沉降最值減少1.6cm,提升效果有限,增加工程造價(jià),不利于工程經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果說(shuō)明了長(zhǎng)短樁在地基加固中的優(yōu)勢(shì),長(zhǎng)樁與短樁可做互補(bǔ)。

2.2.3不同工況下有效應(yīng)力云圖分析

不同工況下模型的有效應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 僅短樁加固后模型有效應(yīng)力云圖

圖7 長(zhǎng)短樁加固后模型有效應(yīng)力云圖

圖6、圖7中,明顯可見(jiàn)僅短樁工況下的軟土地層應(yīng)力較大,特別體現(xiàn)在路堤底部的軟土部分,應(yīng)力較大呈上凸?fàn)?而在長(zhǎng)短樁共同作用下,不僅路堤底部軟土地層的應(yīng)力減小,應(yīng)力的上凸趨勢(shì)變緩,同時(shí)軟土地基的應(yīng)力過(guò)渡更加平順,但長(zhǎng)樁底部的應(yīng)力比僅短樁加固工況下的應(yīng)力更大,從而驗(yàn)證了長(zhǎng)樁在長(zhǎng)短樁加固地基方法中的承載作用。

3 結(jié)論

文章采用有限元模擬軟件對(duì)長(zhǎng)短樁加固地基的公路路堤變形進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:

(1)長(zhǎng)短樁加固地基的作用下,地表沉降最大處在路堤中部,地基表面的沉降隨填筑高度增大而增大,且地表沉降隨填筑高度的增大呈鋸齒狀變化越明顯,最大值為5.6cm,路堤填筑對(duì)地表沉降的影響范圍為路堤坡腳向外3.5m。

(2)地表在路堤填筑過(guò)程中的水平位移呈對(duì)稱分布,隨填筑高度增大而逐漸增大。路堤填筑過(guò)程中,最大值出現(xiàn)的位置從坡腳不斷向路基中心移動(dòng)。

(3)三種工況下,全短樁加固的地表沉降最大值為9.3cm,全長(zhǎng)樁加固沉降最大值為4cm,長(zhǎng)短樁混合加固沉降最大值為5.6cm,長(zhǎng)短樁加固方法能夠在保證加固效果的同時(shí)降低工程造價(jià)。

(4)相對(duì)于全短樁加固方法,長(zhǎng)短樁加固有利于降低路堤底部軟土地層的應(yīng)力,將上部荷載傳遞至持力層。