碎石桩加固的软土路基承载特性分析

刘胜群,卜睿



碎石桩加固的软土路基承载特性分析

刘胜群,卜睿*

江西理工大学 经济管理学院, 江西 赣州 341000

鉴于软土路基承载能力弱，难以达到工程标准，本文针对遂资高速公路的具体软土地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立模型研究了碎石桩加固的软土路基承载特性，分析了碎石桩加固前后软土路基的位移沉降规律和路堤填筑过程中碎石桩的应力、位移和塑性区特征。结果表明：1）碎石桩加固可以有效降低软土路基的位移和沉降；2）碎石桩的竖向应力为周围土体的2~3倍，应力集中系数约为3.1；3）路基桩体最大沉降值和水平位移随填土高度的增大而减小，并呈现出线性变化关系；4）碎石桩加固后成为软土路基主要的承载体，可以有效提高软土路基承载能力，减轻其屈服破坏面积。

碎石桩; 软土路基; 沉降

2017年高速公路总里程数达到13.1万km，位居世界第一，2018年预计新增高速公路0.5万km[1]。但在我国交通公路网不断完善的过程中，高速公路修建也面临着越来越多的挑战[2,3]。如我国幅员辽阔、地质条件复杂，软土分布极广[4]，通常软土路基具有承载能力弱、渗透性差、孔隙大、压缩性高等特点[5]。如何解决软土路基的承载能力已成为热点和重点话题。

目前，大量工程采用碎石桩加固软土路基，并开展了大量的研究。俞伟等[6]利用ABAQUS数值模拟软件分析了碎石桩加固路基承载能力、沉降变形和抗液化能力特征，为碎石桩加固参数选取提供了理论基础；苏涛等[7]采用地质勘察、室内试验、现场监测、理论分析的方法对碎石桩处理河漫滩软土路基效果以及河漫滩软土路基的沉降特征进行了研究，提出了碎石桩加固软土路基的有效方法；范庆国[8]采用碎石桩加固方法处理青岛市双埠片区道路软土路基，认为碎石桩复合路基具有施工简单、经济合理的优点。因此，本文针对遂资高速公路的具体软土地质条件，提出碎石桩加固软土路基方法，并利用FLAC3D数值模拟软件建立数值计算模型，分析碎石桩加固前后软土路基的位移沉降规律和路堤填筑过程中碎石桩的应力、位移和塑性区特征，冀此为相近软土路基工程施工提供参考和借鉴。

1 工程背景

遂（宁）资（阳）高速公路地表浅部软土根据性质可以分为2类：第四系全新统冲洪积层高液限 黏土和第四系全新统沼泽沉积层低液限黏土，这2类土的物理力学参数如表1所示。

表 1 遂资高速公路地表浅部软土的物理力学参数

为保证高速公路路基的承载能力，对地表浅部软土采用直径为0.5 m，间距为1.5 m的碎石桩加固，呈正三角形布设，处理深度以软土层厚度为标准。高速公路路堤填筑高度约为5 m，路堤顶面宽度为18.4 m，采用分层填筑、分层压实的方法，路堤填筑过程中每层松铺0.5 m，压实厚度不超过0.3 m/层。

2 数值模拟模型

根据实际工程情况，取高速公路软土路基一个碎石桩间距范围内的土体进行分析，根据轴对称情况，采用FLAC3D建立得到路堤填筑完成后的高速公路复合路基数值模拟模型如图1所示。模型宽度25.5 m，高度14.3m，共包含141246个节点和129572个单元。碎石桩采用摩尔库伦模型进行模拟，弹性模量为50 MPa，泊松比0.25，内聚力2 kPa，内摩擦角45°，并为分析方便，将桩体由内向外进行数字编号，分别为桩1、桩2、……、桩11。路堤填土高度为5 m，共分10次填筑完成，每次填筑高度约为0.5 m。

图 1 高速公路软土复合路基模型

3 数值计算结果分析

3.1 碎石桩加固效果分析

3.1.1 地层沉降路堤填筑完成后，有无碎石桩条件下路基不同埋深位置土体的沉降分布曲线如图2所示。没有对路基进行碎石桩加固时，路基在路堤里侧表现为沉降，在路堤外侧表现为隆起，埋深越浅，路基土体在里外侧的沉降差异就越明显；同一埋深下，路基土体越靠近路堤中心，其沉降越大，当路堤填筑完成后，路基土体最大沉降出现在路基表面（=0 m）中心位置，其值约为129.8 mm。采用碎石桩进行路基加固后，由于碎石桩的压缩模量要明显大于土体且与周围土体存在挤压摩擦作用，因此路基各部分土体的沉降或隆起均出现了明显的减小，尤其是桩体的位置。从图2可知，采用碎石桩加固后，路基在路堤填筑完成后的最大沉降值变为了95.0 mm，比没加固前减小了26.8%。可见，碎石桩对减小路堤下方软土路基沉降具有明显的作用。

图 2 有无碎石桩时路基不同位置土体的沉降分布曲线

3.1.2 地层水平位移图3所示为路堤填筑完成后，有无碎石桩条件下路基不同位置土体的水平位移分布曲线。可以看出，碎石桩未加固时，越靠近路基中心，路堤下方路基土体的水平位移就越小，当距路基中心距离相同时，不同埋深位置土体的水平位移则在距地表约2~4 m的位置最大；当路堤填筑完成后，路基土体最大水平位移出现在桩11中心距地表约2 m左右的位置，其值约为37.8 mm。采用碎石桩加固后，路基土体的水平位移分布规律基本保持不变，但其值却均有所减小，尤其以远离路基中心的土体变化最为明显，对比碎石桩未加固情形，碎石桩加固后路基土体的最大水平位移减小了将近17.8%，这说明，碎石桩也能够良好改善软土路基的水平变形。

图 3 有无碎石桩时路基不同位置土体的水平位移分布曲线

3.2 路堤填筑过程分析

3.2.1 竖向应力图4为不同填筑高度下路堤下方路基桩土体的竖向应力分布云图。由于路堤的填土高度沿路基横向存在区别，导致土体竖向应力从上往下整体呈斜条状分布，即在复合路基底部中间位置，土体的应力值最大。而桩体刚度要明显大于土体，在同一水平面上，其竖向应力要比附近桩周土体大约2~3倍，并且由路基中心往外侧，桩体的最大竖向应力值逐渐减小。随着路堤填土高度的增高，路基桩土体的竖向应力值也逐渐增大，但由于上方路堤填筑高度存在一些差别，导致越靠近路基中心的桩土体竖向应力提高幅度也越大，当路堤填筑完成后，路基桩土体竖向应力在桩1至桩5底部最大，达到了550 kPa，应力集中系数约为3.1。

图 4 不同填筑高度下路堤下方土体的竖向应力分布云图

3.2.2 地表沉降不同填筑高度下路堤下方路基地表的沉降分布曲线如图5所示。当填土高度为1 m时，桩体和土体的沉降差异较小，此时路基地表最大沉降出现在距路基中心约10.5 m的位置；但由于填土高度的不同，路基地表沉降由最大位置往中心，其减小幅度较慢，而往外侧，其减小幅度则相对较快。随着填土高度的增加，路堤下方路基地表沉降值逐渐增大，但里侧沉降增大的幅度要明显大于外侧，导致路基地表最大沉降出现的位置逐渐往里侧移动，同时，桩体和土体的差异沉降也明显逐渐增大。当路堤填筑完成后，路基地表最大沉降出现在中心位置，其值约为97 mm，路基地表最大隆起则出现在路堤外侧约6 m的位置，其值约为8.4 mm。由图6路基地表最大沉降值随路堤填筑高度的变化曲线可知，路基地表最大沉降与路堤填筑高度基本上呈线性变化关系：=0.099+18.53。

图 5 不同填筑高度下路堤下方路基地表的沉降分布曲线

图 6 路基地表最大沉降值随路堤填筑高度的变化曲线

3.2.3 桩体位移路堤填筑完成后路基桩体的水平位移分布曲线如图7所示。可以看出，路基桩体在上部路堤填土竖向荷载作用下表现为：中间桩主要承受均匀分布的竖向压力，其变形以沉降和鼓胀变形为主；外侧桩则承受偏心压力，其变形以沉降和弯曲变形为主；同一水平面上，由于约束作用的不同，外侧桩体的横向位移值要远大于内侧，即外侧桩体的弯曲变形值要比里侧大得多；路堤填筑完成后，路基桩体的最大水平位移值出现在桩9距顶部距离约1.75 m的位置，其值为34 mm。由图8可知，随着路堤填土高度的增加，路基桩体最大水平位移呈现出线性增长的趋势：=-0.825+6.78；同时其最大出现位置也因路堤-路基整体重心的上移，而从-3.5 m的位置上升到了-1.75 m。

图7 路堤填筑完成后路基桩体的水平位移分布曲线

图 8 路基桩体最大位移及其位置随路堤高度的变化曲线

3.2.4 塑性区图9所示为路堤填筑完成后软土路基桩土体的塑性区分布云图。可以看出，碎石桩加固后，由于碎石桩要比周边土体承受较多的荷载，导致其在路堤填筑完成后均出现了不同程度上的剪切屈服破坏，而且越靠近路基中心，碎石桩的剪切屈服破坏面积也越大。而桩周土体则因碎石桩加固作用而仅在路堤外侧出现少量的拉伸破坏，可见，碎石桩对于提高软土路基承载能力、减轻其屈服破坏面积具有良好的作用。

图 9 路堤填筑完成后路基桩土体的塑性区分布图

4 结论

本文利用FLAC3D数值模拟软件研究了有无碎石桩加固软土路基的位移沉降规律，分析了遂资高速公路软土路基在路堤填筑过程中的应力、位移和塑性区特征，主要结论如下：

1）碎石桩加固可以有效降低软土路基的位移和沉降。碎石桩加固后，路基各个位置的土体位移均有所减小，其中最大沉降值对比减小了26.8%，最大水平位移值对比降低了约17.8%；

2）土体竖向应力从上往下整体呈斜条状分布，但碎石桩体的竖向应力要比附近桩周土体大约2~3倍，路基桩土体竖向应力在桩1至桩5底部最大，达到了550 kPa，应力集中系数约为3.1；

3）路基桩体最大沉降值和水平位移均随填土高度的增大而增大，并呈现出线性关系。最大沉降值的变化幅度往中心较大，外侧较小；水平变形以弯曲变形为主，外侧桩体的弯曲变形值远大于内侧；

4）碎石桩的塑性区面积随填土高度的增大而增大，其塑性区主要呈现为剪切屈服破坏。碎石桩加固后成为软土路基主要的承载体，可以有效提高软土路基承载能力，减轻其屈服破坏面积。

[1] 张磊.高速公路养护管理现状及发展趋势[J].人民交通,2018(3):48-49

[2] 高朝晖,张晓春,王遥,等.高速公路路段交通运行状态的模糊综合评价方法[J].中国矿业大学学报,2014,43(2):339-344

[3] 李德慧,孙小端,刘小明,等.高速公路改扩建道路设计的安全问题[J].北京工业大学学报,2006,32(10):913-918

[4] 张千管.碎石桩处理软土路基的应用研究[D].西安:长安大学,2012

[5] 李丙刚.高速公路软土路基的发展现状及施工技术[J].四川建材,2017,43(6):113-114

[6] 俞伟,苏枋,唐新军.碎石桩加固软土路基处理的有限元分析[J].水利与建筑工程学报,2013,11(5):114-117

[7] 苏涛,张亮亮,胡照广.碎石桩加固松花江漫滩软土路基沉降特性分析[J].森林工程,2014,30(6):157-160

[8] 范庆国.碎石桩复合地基在滨海软土路基处理中的应用[J].山西建筑,2016,42(18):124-125

Analysis on Bearing Characteristics of Soft Soil Subgrade Reinforced by Gravel Pile Reinforcement

Liu Sheng-qun, BU Rui*

341000,

Because the bearing capacity of soft soil subgrade was so weak that it was unable to reach the engineering standards, this paper took the numerical simulation software FLAC3Dto establish the model to study on a bearing characteristic of soft soil subgrade reinforced by gravel piles in light of the soft soil conditions of Suizi highway and the displacement sedimentary law of soft soil subgrade before and after gravel pile reinforcement and the stress, displacement and plastic zone characteristics of gravel pile during subgrade filling were analyzed. The results showed that: 1) gravel pile reinforcement could effectively reduce the displacement and subsidence of soft soil subgrade. 2) the vertical stress of gravel pile was 2~3 times that of surrounding soil, and the stress concentration coefficient was about 3.1. 3) the maximum subsidence value and horizontal displacement of roadbed pile decreased with the increase of soil filling height and showed a linear change relationship; 4) the gravel pile became the main bearing carrier of soft soil subgrade after reinforcement, which could effectively improve the bearing capacity of soft soil subgrade and reduced its yield destruction area.

Gravel pile; soft soil subgrade; subsidence

U213.1+5

A

1000-2324(2018)05-0796-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.014

2017-09-23

2017-10-26

刘胜群(1966-),男,硕士,教授,主要研究方向为工程管理. E-mail:lsqjxust@163.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:2780233@qq.com