高速公路軟土路基加固處理技術研究

摘 要：為研究水泥攪拌樁復合地基對高速公路軟土路基的加固效果，本文基于某高速公路軟土路基地基處理實際工程，利用有限元軟件進行數值計算，分析水泥攪拌樁樁間距和樁長對路基加固效果的影響，結果表明，通過土工格柵和水泥攪拌樁對軟土地基進行處理能有效地減少路基的沉降量和水平位移。水泥攪拌樁樁身模量增加、樁間距縮短、樁長增加會使路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。

關鍵詞：水泥攪拌樁；軟土路基；加固效果；數值計算

中圖分類號：U 416 " 文獻標志碼：A

我國國土面積遼闊，存在各類復雜的地理環境和工程地質條件，隨著高速公路網的覆蓋面積越來越大，在公路建設過程中常會遇到各類挑戰，包括軟土沉降問題[1]。我國東部地區軟土地層分布廣泛，具有一系列不良工程性質，常會導致地基服役期間發生沉降過大等變形問題，影響工程安全性[2]。目前針對軟土地基處理的方法包括換填墊層法、強夯法和復合地基法等[3]。張秀勇等[4]和邵韋弦[5]依托實際工程，利用數值模擬方法研究了碎石樁復合地基對軟土地基的加固效果。本文為研究水泥攪拌樁復合地基對高速公路軟土路基的加固效果，以某高速公路軟土路基地基處理實際工程為例，采用有限元軟件進行數值計算，分析水泥攪拌樁樁身模量、樁間距和樁長對路基加固效果的影響。

1 數值模型建立

本文依托某高速公路軟土地基處理實際工程，利用有限元軟件建立模型并進行計算，該工程采用土工格柵和水泥攪拌樁復合地基對軟土地基進行加固。為簡化計算模型，將不同地層分界線視為水平面，同時為減弱邊界效應對計算結果的影響，要擴大模型的計算范圍。計算模型的尺寸：100m×24m×20m（長×寬×高）。水泥攪拌樁的樁長為8.0m，樁直徑為0.5m，樁身彈性模量為120.0MPa，泊松比為0.2，樁間距為1.4m。模型單元數為9343個，節點數為9690個，數值模型如圖1所示。

路面材料的本構模型采用線彈性模型，路堤填土和軟土地基的本構模型采用摩爾-庫倫模型。模型的邊界條件：模型頂面為自由邊界，模型側面施加垂直于側面的約束，限制其法向位移，模型底面施加水平和豎直方向的約束，限制其水平和豎直方向位移，初始地應力場僅為重力場。路面材料參數見表1，路堤填土和軟土地基的巖土體物理力學參數取值見表2。

模擬路基填筑施工過程，首先，需要對路基部分的單元進行空模型處理，其次，進行初始地應力平衡計算，最后，逐一激活每層填土的命令，對路基分層填筑進行數值模擬，每次填土高度為0.5m。

2 數值模擬結果

為研究水泥攪拌樁復合地基對軟土地基的加固效果，分別建立未作處理的軟土地基模型，對采用水泥攪拌樁加固的地基模型進行計算，得到路基的沉降及水平位移。

2.1 路基沉降分析

根據數值計算結果，得到未作處理的軟土地基和通過水泥攪拌樁進行加固的復合地基的路基頂部的沉降結果，如圖2所示

路基中心位置的豎向沉降量明顯大于路肩處的沉降量，與路基中心的距離增加，沉降量減少。未作處理的軟土地基在路基頂部的中心位置的沉降值為23.65cm，通過土工格柵和水泥攪拌樁進行加固的復合地基在路基頂部的中心位置的沉降值為4.17cm，減少82.4%，可知水泥攪拌樁復合地基對軟土地基進行加固處理能有效減少路基的沉降量。

2.2 路基水平位移分析

根據數值計算結果，得到未作處理的軟土地基和通過水泥攪拌樁進行加固的復合地基在路堤底部的水平位移結果，如圖3所示。

由圖3可知，隨著與路基中心的距離增加，路堤底部的水平位移也逐漸增加。未作處理的軟土地基在路堤底部邊緣位置的水平位移值為6.01cm，通過土工格柵和水泥攪拌樁進行加固的復合地基在路堤底部邊緣位置的水平位移值為1.68 cm，減少72%，表明水泥攪拌樁復合地基對軟土地基進行處理能有效減少路基的水平位移。

綜上所述，水泥攪拌樁復合地基能有效抑制軟土路基變形，提高地基的長期服役性能，分析其原因：水泥攪拌樁增加了土體的密實度和抗剪強度，同時水泥攪拌樁的嵌入深度達到軟土層，形成了垂直的土體支撐結構，有效減少了軟土的沉降和側向變形，另外，水泥的固化作用使水泥攪拌樁復合地基優于其他形式復合地基，水泥固化形成了堅固的土-水泥樁體，使軟土地基得到了有效加固和支撐，同時，水泥的固化過程還可以提高土體的抗水性和抗滲性，減少軟土地基受水分影響的程度。

3 水泥攪拌樁復合地基沉降因素分析

為研究水泥攪拌樁復合地基的沉降特性及影響因素，本節通過設計不同的計算工況，分別研究樁身模量、樁間距和樁長對水泥攪拌樁復合地基加固效果的影響。

3.1 樁身模量對復合地基的影響

為研究樁身模量對水泥攪拌樁復合地基加固效果的影響，將樁身模量分別設置為80.0MPa、120.0MPa、160.0MPa、200.0MPa這4種工況，得到不同樁身模量條件下的水泥攪拌樁復合地基豎向沉降，如圖4所示。

隨著水泥攪拌樁樁身模量增加，路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。樁身模量為80.0MPa時，路基中心位置的最大沉降值為7.068cm，樁身模量為120.0MPa時，路基中心位置的最大沉降值為6.629cm，比樁身模量為80.0MPa的情況減少了6.6%。當樁身模量為160.0MPa時，路基中心位置的最大沉降值為6.401cm，比樁身模量為120.0MPa的情況減少了3.4%。當樁身模量為200.0MPa時，路基中心位置的最大沉降值為6.260cm，比樁身模量為160.0MPa的情況減少了2.2%。當增加相同的樁身模量時，隨著樁身模量逐漸增加，減少路基沉降的效果逐漸減弱，當水泥攪拌樁樁身模量較大時，不應該通過增加樁身模量來提升復合地基的加固效果。

3.2 樁間距對復合地基的影響

為研究樁間距對水泥攪拌樁復合地基加固效果的影響，將樁間距分別設置為1.0m、1.4m、1.8m、2.2m，得到不同樁間距條件下的水泥攪拌樁復合地基豎向沉降，如圖5所示。

隨著水泥攪拌樁樁間距減少，路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。當樁間距為2.2m時，路基中心位置的最大沉降值為7.087cm，當樁間距為1.8m時，路基中心位置的最大沉降值為6.826m，比樁間距為2.2m的情況減少了3.7%。樁間距為1.4m時的路基中心位置的最大沉降值為6.629cm，比樁間距為1.8m時的情況減少了2.9%。樁間距為1.0m時的路基中心位置的最大沉降值為6.466cm，比樁間距為1.4m的情況減少了2.5%。隨著樁間距逐漸減少，減少樁間距對減少路基沉降的效果逐漸減弱，當水泥攪拌樁樁間距較小時，考慮節約工程成本，不應該通過減少樁間距來提升復合地基的加固效果。結合以上計算結果，在該工程中，1.4m 為較合適的樁間距。

3.3 樁長對復合地基的影響

為研究樁長對水泥攪拌樁復合地基加固效果的影響，將樁長分別設置為8m、10m、12m、14m，得到不同樁長條件下的水泥攪拌樁復合地基豎向沉降，如圖6所示。

隨著水泥攪拌樁樁長增加，路基沉降值逐漸減少，沉降值的變化量在路基中心線處較大，在路基邊坡位置較小。樁長為8m時的路基中心位置的最大沉降值為6.629cm，樁長為10m時的路基中心位置的最大沉降值為5.746cm，比樁長為8m的情況減少了13.3%。樁長為12m時的路基中心位置的最大沉降值為4.806cm，比樁長為10m的情況減少了16.4%。樁長為14m時的路基中心位置的最大沉降值為3.840cm，比樁長為12m的情況減少了20.1%。當樁長為8m～14m時，增加相同的樁長，隨著樁長逐漸增加，增加樁長對減少路基沉降的效果逐漸增強，說明增加樁長可以很好地提升復合地基的加固效果。

4 結論

通過土工格柵和水泥攪拌樁對軟土地基進行處理能有效地減少路基的沉降量和水平位移。

路基沉降值隨水泥攪拌樁樁身模量增加而逐漸減少，增加相同樁身模量時，隨樁身模量增加，增加樁身模量對減少路基沉降的效果逐漸減弱，水泥攪拌樁樁身模量較大時，不應繼續通過增加樁身模量來提升復合地基的加固效果。

路基沉降值隨著水泥攪拌樁樁間距減少而逐漸減少，減少相同的樁間距時，隨著樁間距逐漸減少，對減少路基沉降的效果逐漸減弱，水泥攪拌樁樁間距較小時，考慮節約工程成本，不應繼續通過減少樁間距來提升復合地基的加固效果。

路基沉降值隨著水泥攪拌樁樁長增加而逐漸減少，樁長為8m～14m時，隨著樁長逐漸增加，增加樁長對減少路基沉降的效果逐漸增強，說明增加樁長可以很好地提升復合地基的加固效果。

參考文獻

[1]崔凱，楊文恒.軟土路基沉降的聯合法預測研究[J].西南交通大學學報，2017，52（5）：926-934.

[2]吳楠，肖軍華.軟土地區地鐵高架結構不均勻沉降特征與影響因素[J].交通運輸工程學報，2017，17（2）：12-20.

[3]鄭剛，龔曉南，謝永利，等.地基處理技術發展綜述[J].土木工程學報，2012，45（2）：127-146.

[4]張秀勇，王海龍，李杰.碎石樁復合地基在大麗高速公路軟土地基處理中的應用[J].河海大學學報（自然科學版），2021，49（5）：455-459.

[5]邵韋弦.碎石樁加固軟土地基路堤變形與穩定性分析[J].公路，2021，66（10）：58-66.