水泥土攪拌樁復合地基在軟基加固中的應用

0 引言

軟土地基具有高壓縮性、低強度和高含水量等特點，易導致道路在使用過程中出現沉降、裂縫等問題，嚴重影響道路的使用壽命和行車安全。水泥土攪拌樁復合地基作為一種有效的地基加固技術，通過在軟土地基中設置水泥土攪拌樁，形成復合地基結構，能夠顯著提高地基承載力，減少沉降量。本文以某公路工程軟基處理為例，對水泥土攪拌樁復合地基優化設計進行研究，為道路工程軟基加固提供科學依據和技術指導。

圖1公路工程路基斷面

1項目概況

某公路工程位于四川省達州市，總建設長度為 22km 公路主線為雙向4車道，路面全幅寬度為 21.0m ，初步設計路基高度為 5.0m ，路基坡率1：1.5，設計速度 80km/h 。樁號 K7+150～K9+550 范圍內為軟土發育區域。新建道路路基斷面如圖1所示。根據地質資料， K7+150～K9+550 范圍內分布有厚度 7.0m 左右的淤泥質粉質黏土層，其下為6.0m的稍密至中密粉土層以及密實的粉砂層。地基土物理力學性質及水泥土攪拌樁設計參數如表1所示。

2地基處理方案設計與沉降分析

2.1方案設計

K7+150～K9+550 區域軟土 分布范圍廣，且厚度較大，地 基承載力僅70kPa，無法滿足路基的設計要求，因此需要進行必要地基處理工作。由于公路工程對路基差異沉降控制較為嚴格，因此本段軟土路基范圍內擬采用水泥土攪拌樁進行軟基加固。

設計水泥土攪拌樁樁徑 0.50m ，以層 ② 粉土為樁端持力層，樁長 8.0m 。根據JGJ79—2012《建筑地基處理技術規范》，水泥土樁身水泥土強度取 2000kPa ，樁端端阻力發揮系數取0.50，水泥土攪拌樁單樁承載力特征值按樁身強度控制，取 105kPa 。樁間距 1.0m ，面積置換率0.196，單樁承載力發揮系數取0.90，樁間土承載力發揮系數取0.30，樁間土承載力特征值取70kPa，復合地 基承載力特征值為 110.0kPa 0

表1地基土物理力學性質及水泥土攪拌樁設計參數

2.2有限元模型構建

采用Plaxis2D建立有限元計算模型，車道均布荷載為10.5kN/m ，模型下邊界雙向固定，兩側單向（水平）固定，其余為自由邊界。有限元計算參數如表2所示。軟基加固有限元計算模型尺寸（長 × 寬）為 60.0m×25.62m ，共劃分6613個單位及53287個計算節點。軟基加固有限元計算模型如圖2所示。

表2軟土路基有限元計算參數

圖2軟基加固有限元計算模型

1.3軟土路基沉降量模擬分析

數值模擬中根據路基填筑施工順序進行，路基填筑高度暫定為 5.0m ，分別計算未進行地基處理直接填筑的工況一以及采用樁間距1.0m的水泥土攪拌樁地基處理的工況二。路基面沉降歷時按運營期1年、3年及15年，路基面沉降模擬計算結果圖3所示。

根據圖3可知，未進行軟基加固的情況下，道路中心線15年運營期的總沉降量達到 102.94mm ，而采用樁間距1.0m攪拌樁進行軟基加固后，15年運營期的總沉降量僅為 9.33mm ，軟基處理在路基沉降控制方面取得較好的效果。然而，根據當前的水泥土攪拌樁加固方案，單位面積內的水泥土攪拌樁數量為1根。根據當地攪拌樁的施工價格，預估軟基加固費用達到1778.112萬元，成本較高。因此有必要在設計允許范圍內，進一步對軟基加固方案進行優化設計。

3水泥土攪拌樁復合地基影響因素及優化設計3.1填土高度的影響及優化設計

路基填筑高度越高，其自重荷載越大，作用于軟土地基上的應力也越大，主固結沉降和次固結沉降都會相應增大，因此通過控制路基填筑高度可以有效控制軟基的沉降量。當水泥土攪拌樁樁間距 1.0m 、褥墊層彈性模量20.0MPa 時，采用Plaxis2D計算路基填筑高度 3.0m.5.0m? 8.0m及15.0m時的路基面運營期15年的沉降量。不同路基填筑高度時路基面運營期15年的沉降量如圖4所示。

根據圖4可知，隨著路基填筑高度的增加，15年運營期的累計沉降量也逐步增加，路基填筑高度 3.0m 5.0m.8.0m 及15.0m時的最大累計沉降量分別為4.56mm、9.33mm 、 11.83mm 及 22.62mm 。由此可知，當填筑高度從3.0m增加至5.0m時，最大累計沉降量增加了 104.6% 增幅顯著；填筑高度由5.0m增加至8.0m時，最大累計沉降量增加了 26.8% ，增幅較小；當進一步增加路基高度至15.0m時，最大累計沉降量是 8.0m 時的1.91倍，出現明顯增加。

在滿足設計要求的前提下，降低路基填筑高度、減小路基自重荷載是控制公路運營期沉降的重要措施。從本工程的計算結果來看，路基高度為5.0m時，運營期15年的最大累計沉降量小于 10.0mm ；當路基高度提高至8.0m時，累計沉降量增幅較小。因此本項目中的最佳填筑高度為 5.0～8.0m ，設計填筑高度取5.0m較為合適。

3.2褥墊層彈性模量的影響及優化措施

較高的彈性模量能使褥墊層更好地分散荷載，以及協調樁土應力分布，減少樁體和樁間土的集中應力，從而降低整體沉降。然而若褥墊層彈性模量過高，會降低褥墊層的流動調節能力，導致樁間土的承載能力不能充分發揮，反而不利于沉降控制。當水泥土攪拌樁樁間距1.0m 、路基填筑高度為5.0m時，采用P1axis2D計算褥墊層彈性模量10.0MPa、20.0MPa、30.0MPa及 40.0MPa 時的路基面運營期15年的沉降量。不同褥墊層彈性模量時路基面運營期15年的沉降量如圖5所示。

圖4不同路基填筑高度時路基面運營期15年的沉降量

根據圖5可知，增加褥墊層的彈性模量可以降低路基面的沉降量。當彈性模量為10.0MPa 、20.0MPa、 30.0MPa 及 40.0MPa 時，最大累計沉降量分別為 18.16mm ， 9.33mm ，6.53mm 及 5.88mm 。其中，當褥墊層彈性模量由 10MPa 增加至20MPa時，最大累計沉降量降低了 48.6% ；褥墊層彈性模量由20MPa 增加至 30MPa 時，道路中心線處的最大累計沉降量進一步降低了 30.0% ；而繼續增加至40MPa時，最大累計沉降量的降幅進一步減小，僅降低 9.9% 。

距道路中心線距離/m

距道路中心線距離/m

圖5不同褥墊層彈性模量時路基面運營期15年的沉降量

圖6不同樁間距時路基面運營期15年的沉降量

上述分析表明，增加褥墊層彈性模量對控制軟基沉降的作用逐步降低，且要達到較高的彈性模量，褥墊層需要較高的壓實度，如此會顯著增加工程成本。綜合考慮經濟性及施工可行性，本項目中將褥墊層的彈性模量控制在 20～30.0MPa 較為合適。

3.3樁間距的影響及優化措施

樁間距越小，單位面積內樁體的數量越多，樁體承擔的荷載比例增加，樁間土承擔的荷載比例減少，有助于更好地發揮樁體的承載能力，從而減少復合地基的沉降。但單位面積內的樁基數量越多就意味著軟基處理成本越高，不利于項目的成本控制。反之，樁間距越大，單位面積內樁體的數量減少，樁間土承擔的荷載比例增加，導致樁間土的壓縮變形增大，從而增加復合地基的沉降，不利于軟基的沉降控制。因此實際工程中，應根據樁間土的性質和地基土的條件，合理選擇樁間距。

當路基填筑高度為 5.0m 、褥墊層彈性模量20.0MPa時，采用Plaxis2D計算樁間距1.0m、1.5m、2.0m及2.5m時的路基面運營期15年的沉降量。不同樁間距時路基面運營期15年的沉降量如圖6所示。根據圖6可知，隨著水泥土攪拌樁樁間距的增加，路基面的沉降量逐步增加。當樁間距1.0m、1.5m、2.0m及2.5m時，道路中心線最大累計沉降量分別為 9.33mm ， 10.99mm 、14.56mm及19.96mm 。其中，當樁間距由1.0m增加至1.5m時，最大累計沉降量增加了 17.8% ；樁間距由1.5m增加至2.0m時，最大累計沉降量增加了 32.5% ，增幅逐步增大，但運營期15年的最大累計沉降量仍小于設計值 15.0mm 而當樁間距由 2.0m 增加至2.5m時，最大累計沉降量增加了 37.1% ，增幅進一步擴大，不利于軟基沉降的控制。

從經濟性角度考慮，本工程中水泥土攪拌樁樁間距可適當增大，由原先的1.0m增加至 1.5～2.0m ，此時運營期15年的最大累計沉降量仍可以滿足設計要求。當樁間距增加至2.0m時，單位面積內的樁基數量為0.5根，可減少軟基處理成本近 50% ，具備較好的經濟性。

4結論

本文通過對四川省某省級公路工程軟土地基加固的數值模擬研究，分析了路基填筑高度、褥墊層彈性模量以及水泥土攪拌樁樁間距對復合地基沉降的影響規律。得到如下結論：

1）路基填筑高度的增加會顯著增大軟土地基的沉降量，合理控制路基填筑高度是控制軟基沉降的有效措施，建議本工程的路基填筑高度控制在 5.0～8.0m 范圍內。2）褥墊層彈性模量的提高能夠有效降低沉降量，但當彈性模量過高時，其對沉降控制的作用逐步降低，且會顯著增加工程成本。綜合經濟性和施工可行性，建議褥墊層彈性模量控制在 20. 0～30.0MPa. 03）樁間距越小，沉降量越小，成本越高，從經濟性和沉降控制角度綜合考慮，建議樁間距優化為 1.5～ 2.0m ，以便在滿足沉降控制要求的同時顯著降低軟基加固成本。

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