软基段刚性桩承加筋路堤的作用机理分析

■黄怡君

（厦门中平公路勘察设计院有限公司泉州分公司，泉州 362000）

1 引言

泉州市沿海地区海相软土分布十分广泛，软土地基的含水量高、压缩模量小导致其承载力较差[1-2]。在软土修建公路，软基处理方案的选择一直是困扰工程师的难题之一。目前处理软基的方法有很多，例如复合地基法、排水固结法等。排水固结法是使土中的孔隙水快速排出，加快土的固结沉降从而减少工后沉降[3]；复合地基法是通过协调桩与土的变形使桩和土共同承载上部荷载，充分的发挥土的承载力，从而提高路基的承载力减小沉降量[4]。

国内学者对软基的处理开展了一系列的研究，并且取得了丰富成果。崔溦[5]等通过有限元分析，研究碎石桩联合土工格栅在处理软基的变形特性、受力及作用机制。蒋鹏飞等通过土工格室垫层+碎石桩复合地基处理软基的室内外试验，对其形成特点和作用机理进行了研究。刘雷[7]等在碎石挤密桩加固原理的基础上对其设计与施工方法进行了研究。黄瑞章[8]等针对泉州市某道路采用抛石挤淤并结合强夯法进行软基处理，并对其处理效果进行检验。翟光明[9]通过工程案例对碎石桩处理软基的施工工艺进行了研究分析。由此可见，以上研究主要集中在对柔性桩承加筋处理软基的研究，但此类桩型大多存在路基工后沉降大的缺陷。近年来，刚性桩承加筋路堤充分利用刚性桩的沉降小的特点，已逐渐在软基处理中广泛采用，但相比较于柔性桩，刚性桩承加筋路堤的作用机理的研究仍显滞后。

鉴于此，本文以晋江市东石镇环湾大道工程为依托，针对刚性桩承加筋对软土路基进行处理，采用有限元软件对其施工过程进行模拟，通过实测数据与模拟数据进行对比，分析其作用机理。

2 工程概况

2.1 软基地质概况

晋江市东石镇环湾大道工程位于晋江经济开发区东石园区内，该工程主要不良地质地质为海湾滩涂地段的软土。经钻探显示，其岩土层分布及特征自上而下分述如表1所示。

表1 土层分布及特征表

经地质钻探结果显示，该工程淤泥质软弱地基，其具体特征如下：

（1）淤泥的厚度很大，最大厚度达15m。

（2）渗透性及赋水性较强，具有呈压性，不利于土的固结。

（3）淤泥压缩系数大，较大的压缩性使路基在建成后出现较大的沉降。

（4）淤泥的抗剪强度低，黏聚力较小，使得路基在建成后容易出现剪切破坏。

2.2 软基处理方案

通过对晋江市在建和已建软基处理设计方案的处理效果进行调查，根据该项目沿线软土地基的分布情况及特征，从施工难易、对环境的影响及造价等几个方面进行对比，拟定软基处理方案。对于一般路段，采用挤密砂桩+砂垫层+填土预压进行特殊路基处理；由于桥台背后30m过渡段要求沉降量更小，因此拟定使用C15砼刚性桩加筋作为软基处理方案。

C15砼桩等边三角形进行布设，桩径为50cm，桩身进入持力层不小于1m，桩间距为1.5m，桩顶设置C25砼桩帽，采用钻孔灌注施工法。在C15砼桩施工完成并检验合格后，在桩顶铺设50cm层砂垫层和两层土工格栅，最终填土施工至路堤顶后，经监测沉降满足要求之后进行路面施工。典型软基处理断面如图1所示。

图1 典型C15砼桩承加筋路堤方案

3 有限元分析

3.1 几何模型

为分析C15砼桩承加筋路堤中的应力特征和沉降变化规律，通过建立ABAQUS有限元模型进行分析。由于模型呈几何对称，取路堤横截面的一半进行有限元模拟。路堤高度4.730m，路堤顶面宽度25m，路堤边坡坡度1∶1.5，分别在离地0m和0.25m处的路堤内铺设土工格栅；地基部分深度为17.6m，宽度为37m，在地基内每隔1.5m埋设直径为0.5m的C15砼桩，桩长8.6m，在离坡脚2m处停止埋设，几何模型如图2所示。对C15混凝土桩、路堤及地基，网格划分采用平面应变四节点单元（CPE4），土工格栅采用二结点二维桁架（T2D2），网格划分如图3所示。桩与淤泥摩擦系数取0.3，利用ABAQUS的Embedded region嵌入功能设置土工格栅与路堤土体接触关系。

图2 几何模型图

图3 网格划分

3.2 材料参数

各土层材料参数如表2所示。其中淤泥采用修正剑桥本构模型，其余土层采用摩尔-库伦本构模型。

表2 各土层材料参数表

3.3 边界条件

对于边界条件，在模型两边约束模型的水平位移，在模型底面约束模型的水平及竖向位移。对于初始条件，利用ABAQUS有限元软件中的Geostatic进行分析，由于土体受到重力的作用，所以设置的初始应力与重力相平衡，而且不产生任何位移。ABAQUS/Standard会在Geostatic步中进行迭代，从而建立与载荷及边界条件相对应的平衡状态，即调整初始条件所给出的应力场，并以此作为后续分析的初始状态。利用ABAQUS中的单元生死功能模拟软基加固的全过程。

3.4 结果与分析

3.4.1 沉降分析

利用ABAQUS有限元软件对路基沉降进行计算，计算过程中分级加载，以模拟施工过程，并实时监测路基在施工期间各个时段的沉降量，从施工期截止观测时间为360d，计算的基沉降如图4所示。模拟沉降量与实测沉降量如图5所示。

图4 路基沉降云图（单位：m）

由图4、5可知，数值模拟在第一次填土完成过后路基的沉降量为5.77cm，第二次填土完成时路基的沉降量为8.02cm。数值模拟的沉降曲线与实测的沉降曲线将较为接近，路基的在施工结束后沉降量都在8.00cm左右，且都有收敛趋势。说明所建立的模型计算精度较好，可满足工程计算要求。

图5 模拟沉降曲线与实测沉降曲线

3.4.2 格栅应变

图6中的四张折线图是路堤填筑过程中，两层土工格栅以长度为标尺的水平方向应变变化对比图，其中上层格栅为第一层格栅，下层为第二层。

从图6可以看到，路堤填筑过程中，格栅应变始终呈锯齿状上下波动，格栅应变波峰与砼桩位置基本重合，波谷也处于桩间范围，这是由于砼桩对格栅的支撑作用，而桩间范围的淤泥并不能提供有效的支撑。从a图可以看出，第一层土填完后0～20m范围波峰和波谷差值大，20m以后差值减小，其原因是由于第一层填土完成后，地基有路堤部分对加固后的软基存在“挤出”趋势，导致靠右侧的砼桩受水平荷载较大，弯曲更为明显，砼桩对格栅的支撑作用减弱。从b图可以看出，第一层和第二层格栅应变的最大值出现的位置不同，这是由于软基的“挤出”趋势导致路堤在右侧水平位移变大，因此第一层格栅应变最大值出现在右侧，而第二层格栅贴进砼桩，导致“挤出”趋势对其影响较小，最大应变还是出现在左侧。从c图和d图可以看出，两层格栅变化规律基本一致，而完成第二层填土后，由于上部荷载加大，格栅应变明显变大。

3.4.3 桩的弯矩

选取①②③号桩对其在两次填土后的弯矩进行分析，比较各桩弯矩的差异，并对比其两次填土前后的各桩弯矩变化，两次填土前后的桩身弯矩如图所示。

由图7可见，三根桩弯矩存在较大的差异，①号桩所受的弯矩最小，其次是②号桩。完成填土后各自最大弯矩分别为158N·m和932N·m，而③桩最大弯矩要大得多，达到了160kN·m。这是由于①②桩力路堤中心较近，土体和桩主要承受竖向压力；而③桩力路堤中心较远，土体对桩身的侧向压力较大，因此桩身的弯矩也较大。三根桩在两次填土前后的弯矩变化很小，是由于第一次填土量比第二次要大很多。

图6 格栅应变

图7 桩身弯矩

4 结论

针对刚性桩承加筋对软土路基进行处理，采用有限元软件对其施工过程进行模拟，通过实测数据与模拟数据进行对比，分析其作用机理，可以得出以下结论：

（1）采用刚性桩承加筋对软基进行处理能起到很好的加固作用，能有效减少路基施工期间和工后的沉降，防止路基失稳。

（2）由于桩顶对土工格栅的支撑作用，桩顶位置对应的土工格栅应变比桩间对应位置小；远离路堤中心的土体侧向形变较大，导致其对应位置的土工格栅应变较大。

（3）靠近路堤中心的桩受到的主要为轴向应力，其弯矩很小；远离路堤中心的桩由于受到土体侧向变形而产生的侧向应力，其弯矩很大。

[1]朱明，范建华.浅谈软土地基处理方法及施工工艺［J］.西部探矿工程，2009(1)：26-28.

[2]李进军，黄茂松，王育德.交通荷载作用下软土地基累积塑性变形分析［J］.中国公路学报，2006，19(1)：1-5.

[3]He L.Application of plastic flashboard preloaded drainage consolidation method in soft foundation treatment[J].Engineering Construction，2008.

[4]Zhao M H，Zhang L，Jiang D S.Design Calculation Method for Soft Foundation Treatment by Geocell Mattress and Stone Column[J].Journal of Highway&Transportation Research&Development，2008，3(2)：59-64.

[5]崔溦，张志耕，闫澍旺.碎石桩联合土工格栅复合地基处理湿地软基的机制研究[J].岩土力学，2009，30(06)：1764-1768.

[6]蒋鹏飞，陈昌富，赵明华，杨宇，杨明辉.土工格室垫层+碎石桩复合地基在高速公路软基处理中的应用与研究[J].公路，2006(04)：135-139.

[7]刘雷，刘春洪.碎石挤密桩在软基处理上的应用[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2007(S1)：56-58.

[8]黄瑞章，潘瑞春，周新年.抛石挤淤结合强夯置换法在道路软基处理中的应用[J].路基工程，2013(02)：73-77+82.

[9]翟光明.公路工程软基加固碎石桩施工技术的应用[J].科技与企业，2016(02)：169-170.