青海湖“水草地”碎石桩复合地基加固效果的数值分析

闫吉祥，张 蕾，程大祎，谭家科，廖 燚

（1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.德宏美好生活置业有限公司，云南 芒市 678400）

随着我国“一带一路”的建设，西部地区各种重要的基础设施的建设事业蓬勃发展，但是为了兼顾全面，许多公路、铁路工程不得不建设在各种不良地基土上.以在青海湖周边建设的高速公路工程为例，公路路基必须建设在承载力低、压缩性大的“水草地”上.在深厚软土上建设的高速公路路基会存在较大的变形问题，不仅会影响地基的稳定性，严重时还会影响车辆的安全通行.因此，对软土地基采用加固处理技术是保障公路路基安全运营的有效手段.

地基处理技术是我国岩土工程界最为活跃的领域之一，目前我国已经成熟使用的地基处理技术有数十种［1−2］.对软土路基加固处理技术的研究成果众多.赵亮等［3］利用PLAXIS有限元软，对比分析碎石桩加固、组合桩加固、CFG桩加固土路基处理方式的经济性及适用性；李世洋等［4］采用原位测试数据及数值模拟，对比分析管桩地基与旋喷桩地基对上覆砂层下卧淤泥层地基处理效果；徐超等［5］运用FALC3D对土工格栅加筋土地基荷载进行数值模拟，对加筋地基的破坏模式进行研究；王思伟［6］采用数值模拟对某乡镇公路路基进行有限元分析，分析比对不同路基处理方式的加固效果等等.参考众多的软土路基加固的研究成果发现［3−18］，不同地区的软土路基有各自不同的特点，所适用的处理方法也各不相同.

青海湖沿岸的“水草地”是非常典型的区域不良软土，在其上建设公路必须要对路基进行加固处理.多数的地基处理方法的原理有较强的污染性，不适宜加固青海湖“水草地”.

因此，对针对青海湖“水草地”软土路基的加固处理方法展开研究，设计加固方法采用碎石桩复合地基.碎石桩复合地基是一种利用物理作用进行加固的方法，用碎石将地基的部分土体增强或置换，形成由地基土和竖向碎石增强体共同承担荷载的人工地基.运用Midas-GTSNX软件，模拟水草地采用碎石桩复合地基加固前后的路基变形情况，通过对比加固效果及经济性，提出适宜青海湖水草地采用的地基加固处理建议.

1 工程概况

结合沿青海湖建设的某公路工程展开研究，该工程的建设位置如图1所示.公路沿线、接近关角山范围有多种不良地基土特殊路基路段.关角山区域属于祁连山南麓山地，主要受东亚季风气候的影响，年降水量300~400 mm，气温日较差14℃以下，属温带大陆性半干旱气候.根据项目勘察报告显示该工程需要进行地基处理的范围主要为T形互通区路段（图1a中圆圈包围区域），该区域线路两侧大面积出露地下水，地势低洼，表现为“水草地”，如图1b所示.该区域场地岩土体主要为粉土、粉质黏土、卵石土及风化花岗闪长岩，因积水时间较长且地下水丰富，表层草皮软土层揭示厚度1~3 m，褐灰色，呈软塑状.水草地路段长约5 000 m，其中严重水草沼泽地约3 000 m，一般水草地约2 000 m.路沿线水草地需要进行加固处理的土层主要是上层的草皮（粉土）及粉质黏土层，根据地勘报告显示草皮层厚度1~3 m，粉质黏土层厚度3~8 m，平均加固深度5~8 m.

图1 项目地点及场地环境

加固区域附近的已运营多年的某公路的部分路段设计在水草地上堆填碎石，通过抛石挤淤+堆载的方法处理地基.但是，该方法处理下的道路部分路基侧向变形严重，运营多年中已经多次修补，目前仍存在较严重的开裂现象，如图2所示.

图2 路面修复及变形

2 数值模拟

采用Midas-GTSNX软件，基于沿青海湖建设的某道路工程设计方案，结合适宜的地基处理技术，建立3种计算模型：天然地基、碎石桩复合地基、碎石桩+土工格栅垫层.

2.1模型尺寸为便于对路基模型进行描述，对拟用坐标系规定如图3a所示：垂直于路线方向为x轴，沿路线纵线方向为y轴，竖直方向为z轴.3个模型的地基土尺寸一致，为消除边界效应产生的影响，计算模型尺寸与结构平面尺寸之比控制在3~5倍范围内［8］，地基土土体模型宽度为260 m（沿x轴方向），地基土长度为100 m（沿y轴方向）；路基采用梯形截面，上部宽11 m，底部宽82.6 m，高8.95 m.模型尺寸如图3b所示.

设计碎石桩桩径d为600 mm，正方形布置，桩间距3 m.地下水位高度与地表齐平.

2.2模型参数及荷载采用Midas-GTSNX软件建模，各层土体均采用摩尔-库伦本构模型.路基填筑材料均定义为线弹性本构模型，其中桩基采用1D梁单元进行定义.模型3中，通过析取方式，赋予土工格栅2D材料属性.结合工程地勘资料，将各土层及路基填筑材料属性、厚度及土工格栅属性取值如表1和2所示.将路基上部载荷，换算成高4 m，重度为25 kN·m-3碎石土堆载均布于路基上部，单位面积内路面荷载为100 kPa.荷载分布形式如图3a所示.

图3 模型方位及尺寸示意

表1 参数选取

表2 加固材料指标

2.3边界条件及网格划分模型在x方向上设置左右两侧方向约束、y方向上设置左右两侧方向约束、模型整体设置3个方向约束.土工格栅采用析取2D形式设定，通过在路面施加面荷载，模拟堆载对路基的影响.在网格划分过程中，采用全局尺寸3.0进行单元布种，使用4面体网格生成器完成土体、路基填筑材料的单元网格划分.碎石桩复合地基、碎石桩+土工格栅复合地基模型如图4和图5所示.

图4 碎石桩模型（模型2）

图5 碎石桩+土工格栅垫层模型（模型3）

3 计算结果分析

通过对比3个计算模型的变形云图可知（以模型1的计算云图为例，如图6所示），在不同施工阶段中，地基土在x方向与z方向的变形均集中在路基中部，约为路基宽度的1.57倍范围内.因此，对路基中部130 m范围内的地基土x，z方向的变形进行特征节点标记，以便对不同路基处理方式下的加固效果进行对比研究.3个模型选取节点位置一致，标记节点位置如图7所示.节点竖向位置依次为：地表以上3.2 m（路基内部，节点1~节点7）、地表处（节点8~节点18）、地表以下8 m（节点19~节点29）.

图6 不同方向变形云图

图7 特征节点位置

对3个模型的计算结果进行整理，将图7所示各节点x方向、z方向的变形结果绘制成曲线图，如图8所示.

由图8a~c可知，3个模型中模型3的各测点在x侧向位移最小，模型2次之，模型1最大.3种不同路基处理方式模型的各节点在x侧向位移趋势基本保持一致.由于模型对称，以右侧路基边坡为例，相比模型1（天然地基），当采用模型2（碎石桩）时，由上至下最大x侧向位移分别减小了58.12%、65.57%和67.53%；当采用模型3（碎石桩+土工栅格处理）时，由上至下最大x侧向位移分别减小65.43%、71.30%和68.92%.模型2与模型3的结果相差不大.

图8 各模型节点x方向和z方向的变形

由图8d~f可知，模型3整体沉降最小，模型2次之，模型1最大.路基最大沉降位置均出现在路基中心线处，模型1最大沉降依次为410.91 mm、396.01 mm、75.43 mm.相比模型1，模型2与模型3的路基沉降分别缩减为60.79%、51.24%、43.92%和62.70%、52.18%、43.14%.由图8可发现，随埋深增加，模型2与模型3在土体埋深8 m处，各节点沉降曲线基本重合，相比于单独采用碎石桩复合地基的效果，增加一层土工栅格，路基在竖直方向上的变形并未改善多少，模型2与模型3在竖向上的加固效果相差并不明显.

4 经济性分析

有效的路基加固处理方法是保证工程质量可靠、道路行车安全的重要手段及前提.在保证质量的前提下，选择经济合理安全的处理方法、优质的加固材料也是非常重要的.笔者根据前文设计方案，结合地基处理造价预算［19］，对文中采用的2种处理方式的综合单价进行估算，统计结果如表3所示.

表3 综合单价对比 单位：元·m-2

由表3可知，增加土工格栅后，每平方米加固费用增加了约20元，增幅约4.3%.

从数值模拟的结果可知，采用碎石桩复合地基，可以有效的控制软土地基的水平、竖向位移.相比于单独采用碎石桩的处理方法，再增加一层土工格栅并没有大幅度减小各方向的变形，但费用增加约4.3%.

土工格栅在路基中的作用主要为提高路基的整体性和承载能力，将其埋在土中或土层之间，依靠土工格栅和土的摩擦、咬合和嵌入，起抗拉筋的作用，可以将应力均匀分布在土体上，调整不均匀沉降，由此增加地基的整体性、稳定性和承载能力.其实，土工合成材料的作用很多，包括排水、反滤、防渗、加固、防护和隔离等功能［5−7］，但这些作用在数值模拟中很难直观反映出来.虽然本文的数值模拟结果并未显示出土工格栅的优势，但并不能说明土工格栅没有作用.文献［1−18］指出应用于路基的土工材料基本都是与桩基联合使用，设计为由桩−土工材料网共同形成的水平−竖向的双向加固复合地基，以此达到有效的加固效果.因此，对于青海湖“水草地”这种软基，当设计采用土工格栅材料时，不能单通过数值模拟方法计算，而应通过试验手段获得更加直观准确的数据作为参考依据.

5 小结

以青海水草地软基处理问题为研究对象，通过数值模拟方法，建立3个路基模型，分析各工况的变形规律，结合经济性，分析适宜加固水草地的地基处理方法，主要结论如下：

1）碎石桩复合地基可有效加固水草地，加固后的地基的最大水平变形减小了约68%，最大竖向沉降减小了约75%.

2）相比于单独采用碎石桩复合地基的处理方法，再增加一层土工格栅并没有大幅度减小各方向的变形，但费用增加约4.3%.

3）在数值模拟中，不能较好地反映土工合成材料的性能.对于青海湖“水草地”软基，当设计采用土工格栅材料时，不能单通过数值模拟方法计算，而应通过试验手段获得更加直观准确的数据作为参考依据.