灰土挤密桩加固湿陷性黄土路基效果分析

杨 松

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006）

引言

我国西南地区存在大量的湿陷性黄土，因其具有结构疏散、孔隙发育以及雨水溃散等特点，严重影响工程的安全。多年以来，国内学者对此进行了一系列研究：赵建文、卵忠军[1-2]以湿陷性黄土地区工程为研究对象，采用灰土挤密桩加固建筑地基，结果表明，采用灰土桩加固后结构的沉降明显减小，且能满足工程要求。王亮、王雪浪等[3-4]以湿陷性黄土地区高速公路建设为研究对象，采用灰土桩进行地基处理，并对灰土桩的相关参数进行了细致分析，研究表明灰土桩加固湿陷性黄土路基方法是奏效的。王奔、刘双等[5-6]以路基处理为例，分析了挤密桩加固特点，并将灰土挤密桩与素土挤密桩加固效果进行了对比分析，研究成果可为工程提供有利经验。金德福、石杰荣等[7-8]介绍了灰土桩具有施工速度快、成本低等优点，并将灰土桩应用到工程施工中，据提供的监测可知，灰土桩加固地基可以有效地减小路基沉降，提高路基承载力，消除黄土湿陷性。

1 工程概况

湿陷性黄土地区某公路路面下穿涵洞，两处不同土质的涵洞分别标注为涵洞1 和涵洞2，二者分别采用灰土置换和灰土挤密桩加固施工。涵洞1 从下往上依次为黄土、素填土、灰土层和路基填土，厚度依次为22 m、1 m、2 m 和6 m，涵洞2 从下往上依次为黄土、挤密土、灰土层和路基填土，厚度依次为22 m、6 m、2 m 和6 m。涵洞2 处设计的灰土挤密桩桩设计长为6 m，桩径为40 cm，桩间距为1.0 m。

2 数值建模与分析

2.1 模型建立

图1 为采用有限元软件Midas/GTS 软件建立的数值模型。路基的顶部宽度取值为12 m，高度为4.5 m，坡率为1 ∶1.5。模型整体宽度为60 m，模型长度（垂直路基截面方向）取70 m，土基高度为25 m，涵洞高度为6 m。两处不同的涵洞1 和涵洞2 分别采用灰土置换和灰土挤密桩加固施工。（1）模型一中黄土、素填土、灰土层和路基填土的厚度依次为22 m、1 m、2 m 和6 m，除混凝土的本构模型采用弹性模型外，其他均采用摩尔-库伦本构模型。（2）模型二中黄土、挤密土、灰土层和路基填土的厚度依次为22 m、6 m、2 m和6 m，除混凝土的本构模型采用弹性模型外，其他的均采用摩尔-库伦本构模型。灰土挤密桩桩设计长为6 m，桩径为40 cm，桩间距为1.0 m，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，模型中各土层材料的参数取值见表1。

图1 数值模型

表1 模型的物理力学参数

2.2 模拟过程

模拟过程中主要施工步骤：（1）模型建立；（2）初始地应力计算；（3）涵洞地基处理；（4）涵洞设置；（5）道路与涵洞过渡段回填直至涵顶；（6）路基填筑施工至设计标高。

对于涵洞1，地基处理采用灰土换填的方式；对于涵洞2，地基处理采用灰土挤密桩地基处理的方式。

2.3 现场监测与数值模拟数据对比

图2 为涵洞1 和涵洞2 复合地基的现场实测与数值模拟监测位移对比。涵洞1 和涵洞2 的现场实测得到的复合地基位移分别为34.3 mm 和25.1 mm，数值模拟得到的复合地基位移分别为32.1 mm 和23.2 mm，涵洞1 和涵洞2 的现场实测位移分别比对应的数值模拟结果大6.4%和7.6%。由于现场施工情况远比数值模拟更为复杂，因此，认为现场监测数据略大是合理的，也说明了数值模拟结果的正确性与合理性。

图2 现场实测与数值模拟监测位移对比

此外，数值模拟结果也说明，采用Midas/GTS 数值模拟软件可以较好地反映灰土挤密桩复合地基施工和灰土换填施工，可以用来分析湿陷性地区地基加固施工。

3 灰土挤密桩加固地基效果分析

3.1 灰土挤密桩加固地基云图分析

图3 为涵洞2 最终沉降云图，可知，最大沉降发生在复合地基的中心处，灰土挤密桩加固区的位移明显小于同深度未加固区域，说明灰土挤密桩具有较好的加固效果。

图3 涵洞2 最终沉降云图

3.2 参数分析

为了分析各种参数变化对涵洞中心断面路基沉降的影响，通过改变桩长、桩径和桩间距进行分别分析。图4 为涵洞中心断面沉降随桩长变化的规律，可知，随着桩长的增加，涵洞中心断面沉降逐渐减小。桩长分别取5 m、6 m 和7 m 时对应的沉降依次为29.28 mm、25.38 mm 和23.76 mm，相比于桩长取5 m 时，当桩长取6 m 和7 m 时对应的沉降依次减小了13.3%和18.9%。即随着灰土挤密桩桩长的增大，可以有效减小路基沉降，但减小速率随桩长的增大而减小，工程中可以通过合理设计桩长来减小路基沉降并保证施工经济。

图4 涵洞中心断面沉降随桩长变化规律

涵洞中心断面沉降随桩径变化的规律见图5，可知，随着桩径的增加，涵洞中心断面沉降逐渐减小。桩径分别取0.35 m、0.4 m 和0.45 m 时对应的沉降依次为27.83 mm、25.38 mm 和24.41 mm，相比于桩径取0.35 m 时，当桩径取0.4 m 和0.45 m 时对应的沉降依次减小了8.8%和12.3%，即随着灰土挤密桩桩径的增大，使得路基沉降明显减小，且减小速率随桩径的增大而减小，综上可知，工程中可以通过合理设计桩径来减小路基沉降。

图5 涵洞中心断面沉降随桩径变化的规律

涵洞中心断面沉降随桩间距变化的规律见图6，可知，随着桩间距的增加，涵洞中心断面沉降逐渐增大。桩间距分别取0.8 m、1.0 m、1.5 m 时对应的沉降依次为24.79 mm、25.38 mm、27.69 mm，相比于桩间距取0.8 m 时，当桩间距取1.0 m 和1.5 m 时对应的沉降依次增大了2.4%和11.7%，即随着灰土挤密桩桩间距的增大，路基沉降增大，且增大速率随桩间距的增大而增大，工程中可以通过合理设计桩间距来保证路基沉降满足要求，同时使得施工经济合理。

图6 涵洞中心断面沉降随桩间距变化规律

4 结语

（1）涵洞1 和涵洞2 的现场实测位移与数值模拟结果相近，说明数值模拟可以较好地反映灰土挤密桩复合地基施工和灰土换填施工，可以用来分析湿陷性地区地基加固施工。（2）计算后最大沉降发生在复合地基的中心处，灰土挤密桩加固区的位移明显小于同深度未加固区域，说明灰土挤密桩具有较好的加固效果。（3）随着灰土挤密桩桩长、桩径的增大，路基沉降明显减小，且减小速率随桩长和桩径的的增大而减小；随着灰土挤密桩桩间距的增大，路基沉降增大，且增大速率随桩间距的增大而增大。工程中可以通过合理设计桩长、桩径和桩间距来保证路基沉降满足要求，同时使得施工经济合理。