公路軟基高壓旋噴樁加固影響因素分析

為了分析高壓旋噴樁加固效果的影響因素，合理確定施工方案，文章以某運(yùn)營高速公路養(yǎng)護(hù)維修工程為研究背景，利用有限元軟件對(duì)比分析該工程路基中心位置沉降量數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，在綜合考慮的情況下得出樁體彈性模量選擇700 MPa、樁長選擇25 m、樁徑選擇900 mm、樁間距選擇2.0 m較為合理。

公路軟基；高壓旋噴樁；彈性模量；樁長；樁間距

U416.1+1A190622

作者簡(jiǎn)介：

張高玉（1980—），助理工程師，研究方向：道路與橋梁施工。

0" 引言

高速公路行車速度快，對(duì)行車安全和行車舒適性要求高［1］，因此對(duì)路基和路面施工質(zhì)量要求也較高。在軟土地基路段，為防止地基變形造成路基路面結(jié)構(gòu)破壞，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)軟基進(jìn)行加固處理。高速公路在運(yùn)營期間產(chǎn)生不均勻沉降，通常采用加鋪瀝青面層的方式進(jìn)行處理，但是對(duì)于由于軟土地基變形產(chǎn)生的沉降處治效果較差，且會(huì)增加養(yǎng)護(hù)成本，因此加鋪瀝青面層后很快出現(xiàn)新的沉降，造成路面平整度下降［3］，行車舒適性降低。為了徹底根除由于軟基變形引起的不均勻沉降，必須采取措施對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理。在施工階段，可以采用換填法、強(qiáng)夯、排水固結(jié)法等多種方法進(jìn)行加固處理［4-5］，而在高速公路運(yùn)營期間，很多加固方法的運(yùn)營受到限制。高壓旋噴樁施工技術(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單，可分段施工，降低對(duì)交通的影響，施工速度快［6］，可快速固化軟基土體，有效提升地基承載力。本文以某運(yùn)營高速公路養(yǎng)護(hù)維修為研究背景，采用有限元軟件對(duì)高壓旋噴樁加固效果因素進(jìn)行模擬分析，作為合理確定施工方案的主要依據(jù)。

1" 工程概況

某高速公路自通車運(yùn)營后先后出現(xiàn)裂縫、沉降等病害，其中K36+520～K36+650段沉降病害較嚴(yán)重。根據(jù)原始設(shè)計(jì)資料，該路段為軟土路基，分布有較厚的淤泥質(zhì)黏土，黏土厚度為5～10 m，施工中采用排水固結(jié)法進(jìn)行處治。由于軟基加固效果不佳，在運(yùn)營后出現(xiàn)了嚴(yán)重的不均勻沉降。為了保證行車安全，采用加鋪瀝青面層的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，但很快又出現(xiàn)沉降開裂，養(yǎng)護(hù)效果不理想。在運(yùn)營期間，該路段每年新增沉降為5～8 cm，說明地基土始終沒有固結(jié)穩(wěn)定。為徹底根除該路段不均勻沉降的問題，擬采用高壓旋噴樁對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，施工中采用豎向小直徑引孔的方式，穿過路基路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟土地基加固。高壓旋噴樁樁體采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，正方形布置，處治后采用水泥漿填充引孔，上面層銑刨后重新鋪筑。

2" 建立三維有限元模型

2.1" 模型幾何參數(shù)

本文以K36+520～K36+650段軟土路基為研究對(duì)象，選用典型斷面建立模型。路堤填筑高度為5 m，邊坡坡度為1∶1.5，地基深度取30 m，路基設(shè)計(jì)寬度為35 m，模型寬度取120 m。

2.2" 模型計(jì)算參數(shù)

通過現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，結(jié)合道路原始設(shè)計(jì)資料，確定模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.3" 模型建立與荷載作用模擬

高壓旋噴樁樁體模擬采用線彈性模型，路堤填土和地基各土層模擬采用彈塑性摩爾-庫侖模型，如圖1所示。模型網(wǎng)格劃分：為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)路堤部分網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，高壓旋噴樁周邊土體采用漸進(jìn)式網(wǎng)格劃分，距離樁體越近網(wǎng)格越密，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，高壓旋噴樁樁體分布如圖2所示。

為了模擬道路運(yùn)營過程中路堤的實(shí)際工況，采用有限元軟件模擬交通荷載作用，以便于分析運(yùn)營期間路堤的應(yīng)力和應(yīng)變變化情況。利用有限元模型將車流量、車載重等交通荷載換算為等效靜荷載，模擬道路運(yùn)營期間荷載作用，進(jìn)行路堤沉降計(jì)算。

公路軟基高壓旋噴樁加固影響因素分析/張高玉

3" 高壓旋噴樁加固效果影響因素分析

3.1" 樁體彈性模量影響對(duì)比分析

為了分析不同因素對(duì)高壓旋噴樁加固效果的影響，分別對(duì)不同樁體設(shè)計(jì)參數(shù)的路基沉降進(jìn)行對(duì)比分析。由于路基中心位置受力情況復(fù)雜，所產(chǎn)生的沉降量也最大，因此本文選取路基中心位置沉降作為研究對(duì)象。為了分析樁體彈性模量對(duì)加固效果的影響，分別選擇E為300 MPa、500 MPa、700 MPa、900 MPa四種彈性模量的高壓旋噴樁，選取樁長L=20 m、樁徑D=900 mm、樁間距S=2.0 m進(jìn)行模擬分析，整理計(jì)算結(jié)果得出樁體彈性模量影響對(duì)比分析曲線如圖3所示。

分析圖3曲線可知，隨樁體彈性模量從300 MPa增加到900 MPa，路基中心位置沉降量不斷下降，沉降量從4.1 cm下降到3.5 cm，且隨彈性模量增加下降幅度不斷下降。樁體彈性模量從300 MPa增加到500 MPa，路基中心位置的沉降下降幅度最大，而當(dāng)彈性模量從700 MPa增加到900 MPa時(shí)，路基中心位置沉降下降幅度較小，僅從3.6 cm下降到3.5 cm，說明當(dāng)彈性模量增加到＞700 MPa后，彈性模量對(duì)高壓旋噴樁的加固效果影響減小。

3.2" 樁長影響對(duì)比分析

為分析樁長對(duì)高壓旋噴樁加固效果的影響，選取樁體彈性模量E=700 MPa、樁徑D=900 mm、樁間距S=2.0 m，分別選取樁長L為10 m、15 m、20 m、25 m進(jìn)行模擬分析，整理不同時(shí)間路基中心位置沉降計(jì)算結(jié)果繪制樁長影響對(duì)比分析曲線如圖4所示。

分析圖4可知，隨高壓旋噴樁樁長的增加路基中心位置沉降隨之下降，樁長達(dá)到25 m時(shí)高壓旋噴樁為端承樁，對(duì)路基沉降控制效果最好。樁長從10 m增加到25 m，路基中心位置沉降從4.3 cm下降到1.2 cm，下降幅度較大。樁長每增加5 m，路基中心位置沉降量分別下降了1.4 cm、0.8 cm、0.9 cm，下降幅度均較小。因此，增加高壓旋噴樁樁長可提升加固效果，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下應(yīng)適當(dāng)增加樁長。

3.3" 樁徑影響對(duì)比分析

為分析樁徑對(duì)高壓旋噴樁加固效果的影響，選取樁體彈性模量E=700 MPa、樁長L=25 m、樁間距S=2.0 m，分別選取樁徑D為500 mm、700 mm、900 mm、1 000 mm進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，整理不同時(shí)間路基中心位置沉降計(jì)算結(jié)果繪制樁徑影響對(duì)比分析曲線如圖5所示。

分析圖5曲線可知，隨樁徑的增加路基中心位置沉降量隨之下降，但下降幅度不斷減小。當(dāng)樁徑從500 mm增加到700 mm時(shí)，路基中心位置沉降量從3.2 cm減小到2.8 cm，下降幅度較大；樁徑從700 mm增加到900 mm時(shí)沉降量從2.8 cm減小到2.5 cm，下降幅度也較大；而樁徑從900 mm增加到1 100 mm時(shí)沉降量?jī)H減小了0.1 cm，因此在其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，當(dāng)樁徑增加到一定值后對(duì)高壓旋噴樁的加固效果影響減弱。綜合分析數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，建議高壓旋噴樁樁徑選擇900 mm。

3.4" 樁間距影響對(duì)比分析

為分析樁間距對(duì)高壓旋噴樁加固效果的影響，選取樁體彈性模量E=700 MPa、樁長L=25 m、樁徑D=900 mm，分別選取樁間距S為1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，整理不同時(shí)間路基中心位置沉降計(jì)算結(jié)果繪制樁間距影響對(duì)比分析曲線如圖6所示。

分析圖6曲線可知，隨樁間距的增加路基中心位置沉降量不斷提升，說明樁間距的增加會(huì)降低加固效果。樁間距從1.5 m增加到2.0 m，路基中心位置沉降量從2.8 cm增加到3.0 cm，增加幅度為7.1%；樁間距從2.0 m增加到2.5 m，路基中心位置沉降量從3.0 cm增加到3.4 cm，增加幅度為13.3%；樁間距從2.5 m增加到3.0 m，路基中心位置沉降量增加幅度為11.8%。通過對(duì)比分析，得出樁間距增加到2.0 m時(shí)沉降量增幅較小，因此在考慮經(jīng)濟(jì)的情況下，樁間距選擇2.0 m較為合理。

4" 結(jié)語

本文以運(yùn)營高速公路軟土地基高壓旋噴樁加固施工為研究背景，利用有限元軟件對(duì)高壓旋噴樁加固效果影響因素進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果合理確定高壓旋噴樁的設(shè)計(jì)參數(shù)，完善施工方案，得出以下結(jié)論：

（1）路基中心位置沉降隨彈性模量的增加不斷下降，但當(dāng)彈性模量＞700 MPa時(shí)，路基沉降下降幅度較小，說明當(dāng)彈性模量達(dá)到一定值后對(duì)高壓旋噴樁加固效果的影響較小，因此不能通過單純提高樁體彈性模量來提升加固效果，建議高壓旋噴樁樁體彈性模量選擇700 MPa。

（2）路基中心位置沉降量，隨樁長的增加下降，說明樁長的增加可以提升高壓旋噴樁加固效果，因此若不考慮經(jīng)濟(jì)性可適當(dāng)增加樁長。

（3）路基中心位置沉降，隨樁徑的增加不斷下降，加固效果隨之提升，但當(dāng)樁徑＞900 mm后對(duì)加固效果影響較弱，因此高壓旋噴樁樁徑選擇900 mm較為合理。

（4）樁間距越大，路基中心位置沉降也越大，經(jīng)對(duì)比分析得出樁間距為2.0 m時(shí)沉降量增幅較小，路基中心位置沉降量也較小，因此在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下樁間距選擇2.0 m較為合理。

［1］婁" 健，徐" 華，韓富慶，等.隧道淺埋段軟弱圍巖高壓旋噴樁地表加固機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)［J］.公路，2022，67（8）：403-409.

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20240226