水泥搅拌桩在软土路基加固工程中的应用研究

胡 潇

(新疆新纪元公路设计有限责任公司 乌鲁木齐市 830000)

0 引言

工程中，由于软土路基承载力不能满足设计要求，故需要采用一定的措施进行路基加固。水泥搅拌桩作为一种有效的处理方式，广泛地应用到了路基处理当中。近年来，国内学者对此进行了一些研究，主要有：文献[1]以钉型水泥土搅拌桩为研究对象，通过数值模拟软件建立了单桩和群桩下的路基加固模型，通过计算得到钉型水泥土搅拌桩的扩大头桩可以有效承担上部荷载，采取加固措施后路基的沉降显著减小。文献[2-3]以某路基工程采取土工格栅和水泥搅拌桩加固措施为例，采用有限元软件建立数值分析模型，重点分析了桩间距、填土高度以及桩径对路基沉降的影响规律，并对路堤荷载的传递规律进行了描述。文献[4]以某软土路基为研究对象，通过有限元软件模拟的方法，研究分析了采用水泥搅拌桩加固软土地基的效果，结果显示，水泥土搅拌桩可以增大路基的整体性，减小路堤的裂缝产生，提高路堤边坡的稳定性。文献[5]认为水泥搅拌桩是一种有效的路基加固方式，具有施工简单、对环境影响小等优点，可以广泛应用到城市市政工程当中。主要以某地区软土路基加固为研究对象，通过采用PLAXIS有限元软件建立数值模型，重点分析了水泥搅拌桩加固前后路基位移变化，并对填筑高度对路基位移影响进行了分析，最后将实际监测数据与数值模拟数据进行了对比分析，研究结果可为类似工程设计和施工提供一定参考。

1 工程概况

某软土地区路基，从上至下依次为路堤填土、砂石垫层、地基加固区，其中地基加固区填土包括填土、粉质黏土和黏土三部分。如图1所示，路堤土高度为4.5m，其中砂石垫层厚度为0.5m，填土、粉质黏土和黏土高度分别为2m、6m和8m，路基拟采用水泥搅拌桩对地基进行加固处理。路基上表面半幅宽度设计值为12.25m，高度为4.5m，坡率按照1∶1.5设计，施工时采用分层铺填碾压的方法。水泥搅拌桩设计桩长为10m，桩径为50cm，桩间距为1.40m。

图1 水泥搅拌桩加固路基示意图

2 数值建模

如图2所示，为采用有限元软件PLAXIS软件建立的数值模型图。由于路基的对称性，取半幅宽度进行模拟计算，其中路基的顶部宽度取值为12.25m，高度为4.5m，坡率为1∶1.5。模型整体宽度为40m，模型长度(垂直路基截面方向)取10m，土基高度为16m，从地表至下依次为填土、粉质黏土和黏土，从上至下厚度依次为2m、6m和8m。砂石砾土褥垫层厚度为0.5m。水泥搅拌桩总长为10m，桩径为50cm，桩间距为1.40m，建模均采用实体单位模拟。模型除上边界外，其他边界均进行位移约束，模型均采用摩尔-库伦本构模型。

图2 数值模型图

表1给出了路基土、地基土和褥垫层的力学参数，路堤填土和褥垫层级配碎石排水类型均为排水，加固区为不排水。如表2所示，为水泥搅拌桩与土工格栅物理力学参数。

表1 土体和褥垫层的物理力学参数

表2 水泥搅拌桩与土工格栅的物理力学参数

3 数值结果分析

3.1 水泥搅拌桩加固前后路基位移分析

如图3所示，给出了加固处理前后地基表面沉降曲线，由图可知，路基中心沉降最大，往两侧沉降逐渐减小。未采用加固措施时，路基中心沉降值为-133.2mm，加固之后路基中心沉降值为-73.4mm，相比于未采取加固措施时，采取水泥搅拌桩加固之后路基中心沉降值大小减小了44.9%，值得注意的是，采取水泥搅拌桩加固之后，路基边缘的沉降要比加固前增大，这是由于水泥搅拌桩加固措施实施之后，土体的整体承载能力增大，有效地减小了差异沉降。

图3 加固处理前后路基沉降曲线

如图4所示，给出了采取水泥搅拌桩加固前后的路基坡趾断面从地基最底部至地表的水平位移曲线，由图可知，从地基底部往上，侧向位移先增大后减小。对于未采取加固措施时，在距离地表深度约3m处侧向位移最大，说明此时在深度3m处土体所受应力也最大，该位置最大侧向位移为71.2mm；对于采取水泥搅拌桩加固措施时，在距离地表深度约10m处侧向位移最大，说明此时在深度3m处土体所受应力也最大，该位置最大侧向位移为26.4mm，出现这一现象主要是因为水泥搅拌桩施作之后形成复合地基，加固了土体，使得土体侧向位移减小且最大侧向位移值下移。相比于未采取加固措施时，采取水泥搅拌桩加固之后最大侧向位移值大小减小了62.9%。

图4 加固处理前后路堤路基坡趾断面水平位移曲线

3.2 填筑高度对路基位移影响分析

路基填土分四次进行填筑，每次填筑高度为1m，如图5所示，给出了不同路基填筑高度时的地基表面沉降曲线，由图可知，路基中心沉降最大，往两侧沉降逐渐减小。填筑高度为1m、2m、3m和4m时路基中心沉降值分别为-18.9mm、-35.6mm、-52.1mm和-73.4mm，相比于填筑高度为1m时，填筑高度为2m、3m和4m时路基中心沉降值大小分别增大了88.4%、175.7%和288.4%。相比于路基中心随填土高度增大而迅速增大，路基边缘沉降随填筑高度增大路基沉降增大幅度较小。

图5 不同路基填筑高度时的路基沉降曲线

如图6所示，给出了不同路基填筑高度时的路基坡趾断面从地基最底部至地表的水平位移曲线，由图可知，从地基底部往上，侧向位移先增大后减小，在距离地表深度约10m处侧向位移最大，说明在深度10m处土体所受应力也最大。填筑高度为1m、2m、3m和4m时最大侧向位移值分别为16.8mm、20.5mm、23.7mm和26.4mm。相比于填筑高度为1m时，填筑高度为2m、3m和4m时最大侧向位移值大小分别增大了22.0%、41.1%和57.1%。

图6 不同路基填筑高度时的路基坡趾断面水平位移曲线

3.3 现场监测与数值模拟对比分析

为了对数值模拟结果进行验证，工程中对地基表面沉降进行了监测分析，如图7所示，为路基现场实测和数值模拟沉降对比曲线，由图可知，在初期，路基沉降速率较快，当150d之后沉降逐渐减缓，在250d左右沉降基本处于稳定状态。图中显示，实测沉降曲线和数值模拟得到的曲线吻合度较好，最大实测沉降值为-71.6mm，最大数值模拟沉降值为-73.4mm，二者误差在5%之内，说明了数值模拟过程和结果的合理性。

图7 路基现场实测和数值模拟沉降对比曲线

4 结论

主要以某地区软土路基加固为研究对象，通过采用PLAXIS有限元软件建立数值模型，重点分析了水泥搅拌桩加固前后路基位移变化，并对填筑高度对路基位移影响进行了分析，最后将实际监测数据与数值模拟数据进行了对比分析，得到以下结论：

(1)相比于未采取加固措施时，采取水泥搅拌桩加固之后路基中心沉降值大小减小了44.9%，且水泥搅拌桩加固措施实施之后，土体的整体承载能力增大，有效地减小了差异沉降。

(2)相比于未采取加固措施时，采取水泥搅拌桩加固之后最大侧向位移值大小减小了62.9%，水泥搅拌桩施作之后形成复合地基，使得土体侧向位移减小且最大侧向位移值下移。

(3)路基中心沉降最大，往两侧沉降逐渐减小，相比于填筑高度为1m时，填筑高度为2m、3m和4m时路基中心沉降值大小分别增大了88.4%、175.7%和288.4%，即路基沉降随填土高度增大而增大。

(4)相比于填筑高度为1m时，填筑高度为2m、3m和4m时最大侧向位移值大小分别增大了22.0%、41.1%和57.1%，路基侧向位移随填土高度增大而增大。

(5)实测沉降曲线和数值模拟得到的曲线吻合度较好，最大实测沉降值为-71.6mm，最大数值模拟沉降值为-73.4mm，二者误差在5%之内，说明了数值模拟过程和结果的合理性。