粉喷桩复合地基处治高速公路软土路基影响因素分析

陈 钢

(湖南交通国际经济工程合作有限公司 长沙市 410000)

由于软土具有变形较大、渗透性低、压缩性高、抗剪强度低等特性，因此在高速公路修建过程中如遇到软土地区时需对路段软土进行加固处理，以解决地基沉降、变形、承载力不足等问题。粉喷桩适用于处治各类软土地基，可有效改善软土性质，故在高速公路软土路基加固工程中得到广泛应用。

以某高速公路匝道软基工程为背景，运用PLAXIS有限元软件建立粉喷桩复合地基，针对不同桩长、桩径、桩间距、垫层厚度条件下粉喷桩复合地基的沉降及水平位移进行数值模拟分析，以期为同类软土地基加固工程提供有效参考及借鉴。

1 工程背景

依托某高速公路匝道工程为研究背景，该路段场区存在较厚的软土分布，经地质勘察资料显示软土地层主要包括淤泥质亚粘土、软粘土、碎石土和灰岩。由于场区软土具有含水量高、空隙大、渗透性低、压缩性高和抗剪强度低等特征，导致路基承载力无法满足要求，因此需对匝道工程的软土路基进行加固处理。考虑到场区软土含水丰富且分布不均匀，选用粉喷桩复合地基对场区软基进行处治。

2 建立模型

结合上述软土路基工程，针对不同桩长、桩径、桩间距、垫层厚度情形下粉喷桩复合地基的位移进行数值分析并总结出位移变化规律。根据匝道工程实际施工现场，运用PLAXIS软件建立复合地基有限元模型如图1所示，根据路基对称分布，模型采取尺寸为40m×20m×20m的半幅路堤，其中路堤顶面宽15m，坡高4m，坡率1∶1.5，坡底宽21m，级配碎石垫层厚0.4m，粉喷桩复合地基中软土层和持力层深度均为8m。模型假设左右边界水平约束，底部则完全约束，不考虑地下水的影响，粉喷桩、路堤层均采用弹性模型，软土地基则采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，各土体材料参数见表1。软土路基有限元模型共分为1878个单元、1351个节点，具体网格划分见图2。

图1 粉喷桩复合地基计算模型示意

3 粉喷桩复合地基处治软土路基的影响因素分析

3.1 桩长

模型中粉喷桩桩径取0.5m，桩间距取1.6m，垫层厚度取0.6m，通过对8m、9m、10m桩长的粉喷桩复合地基进行有限元计算分析，得到不同桩长复合地基的沉降及水平位移分布如图3、图4所示。

表1 土体材料参数

图2 计算模型网格示意

图3 不同桩长复合地基的沉降量分布规律

图4 不同桩长复合地基的水平位移分布规律

由图3可知，在距路基中心线距离越近时，不同桩长粉喷桩复合地基的沉降量越大，而距路基中心线距离越远时，粉喷桩复合地基的沉降量则越小；随着粉喷桩桩长的增大，粉喷桩复合地基的沉降量整体呈现出不同程度的减小，其中桩长为8～9m时，复合地基沉降减幅较为明显，当桩长为9m时，复合地基沉降量达到最小，当继续增加桩长至10m时，复合地基沉降量出现小幅增大。由图4可知，在距路基中心线距离越近时，不同桩长粉喷桩复合地基的水平位移越小，而距路基中心线距离越远时，复合地基的水平位移则越大；随着粉喷桩桩长的增大，复合地基的水平位移同样呈现出不同程度的减小，其中桩长为9m时，复合地基水平位移最小，当继续增加桩长至10m时，复合地基水平位移呈现小幅增大。综合可知，粉喷桩复合地基存在临界桩长，适宜桩长才能有效控制复合地基沉降及水平位移。

3.2 桩径

模型中粉喷桩桩长取9m，桩间距取1.6m，垫层厚度取0.6m，通过对0.3m、0.5m、0.8m桩径的粉喷桩复合地基进行有限元计算分析，得到不同桩径复合地基的沉降及水平位移分布如图5、图6所示。

图5 不同桩径复合地基的沉降量分布规律

图6 不同桩径复合地基的水平位移分布规律

由图5可知，当距路基中心线距离越近时，不同桩径粉喷桩复合地基的沉降量越大，而距路基中心线越远时，复合地基沉降量则越小；随着粉喷桩桩径的增大，复合地基沉降逐渐减小，其中桩径由0.3m增至0.5m时，复合地基的沉降量减幅较大，当桩径继续增至0.8m时，复合地基沉降减幅出现减小。从图6中可以看出，随着距路基中心线距离的增大，不同桩径粉喷桩复合地基的水平位移呈增大的变化趋势；随着粉喷桩桩径的增大，复合地基的水平位移逐渐减小，其中桩径由0.3m增至0.5m时，复合地基的水平位移减幅较为明显，当继续增至0.8m时，复合地基的水平位移减幅较小。综合可知，桩径过大对粉喷桩复合地基的沉降及水平位移控制效果不明显，从经济效益方面考虑属于浪费。

3.3 桩间距

模型中粉喷桩桩长取9m，桩径取0.5m，垫层厚度取0.6m，通过对1.2m、1.6m、2.0m桩间距的粉喷桩复合地基进行有限元计算分析，得到不同桩间距复合地基的沉降及水平位移分布如图7、图8所示。

图7 不同桩间距复合地基的沉降量分布规律

图8 不同桩间距复合地基的水平位移分布规律

由图7可知，当距路基中心线的距离越近时，不同桩间距复合地基的沉降量越大，而距路基中心线的距离越远时，复合地基的沉降量则越小；随着粉喷桩桩间距的增大，复合地基的沉降量减幅不明显。由图8可知，随着距路基中心线距离的增大，不同桩间距复合地基的水平位移呈增大的变化趋势；随着粉喷桩桩间距的增大，复合地基水平位移呈现不同程度的增大，其中桩间距由1.2m增至1.6m时，复合地基水平位移增幅较大，当继续增加桩间距至2.0m时，复合地基水平位移减小。综合可知，通过将粉喷桩中桩间距减小，使得桩数量增多，对复合地基沉降和水平位移控制效果不明显。

3.4 垫层厚度

模型中粉喷桩桩长取9m，桩径取0.5m，桩间距取1.6m，通过对0.4m、0.6m、0.8m垫层厚度的粉喷桩复合地基进行有限元计算分析，得到不同垫层厚度复合地基的沉降及水平位移分布如图9、图10所示。

图9 不同垫层厚度复合地基的沉降量分布规律

图10 不同垫层厚度复合地基的水平位移分布规律

从图9中可以看出，在距路基中心线的距离越近时，不同垫层厚度复合地基的沉降量越大，而距路基中心线的距离越远时，复合地基的沉降量则越小；随着垫层厚度的增大，复合地基的沉降量减幅不明显。由图10可知，当距路基中心线的距离越近时，不同垫层厚度复合地基的水平位移越小，而距路基中心线的距离越远时，复合地基的水平位移则越大；当垫层厚度由0.4m增至0.6m时，复合地基水平位移出现较小幅度的减小，继续增加垫层厚度至0.8m时，复合地基水平位移则呈现小幅增大。综合可知，增大垫层厚度对粉喷桩复合地基沉降和水平位移的控制效果较小，且从施工成本方面考虑不划算。

4 结论

以某高速公路匝道软基工程为背景，运用PLAXIS有限元软件建立粉喷桩复合地基，针对不同桩长、桩径、桩间距、垫层厚度条件下粉喷桩复合地基的沉降及水平位移进行数值模拟分析，得出以下结论：

(1)粉喷桩桩长由8m增至9m时，复合地基的沉降及水平位移均有明显减小，而继续增加桩长至10m时则出现小幅增大，故适宜的桩长才能有效控制复合地基沉降及水平位移。

(2)随着粉喷桩桩径的增大，复合地基沉降和水平位移均逐渐减小，桩径过大对复合地基沉降及水平位移控制效果不明显。

(3)随着粉喷桩桩间距或垫层厚度的增大，粉喷桩复合地基的沉降量变化均不明显；桩间距过小或垫层厚度过大均不能有效控制粉喷桩复合地基沉降和水平位移，且会导致施工难度及工程造价增大。