挤密桩处理湿陷性黄土路基的效果研究

刘文武

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 引言

天然湿度下的湿陷性黄土具有压缩性低、强度高等特点，但湿陷性黄土在浸水后强度会显著降低，并迅速发生较大变形。因此，黄土遇水而敏感的特性对黄土地区铁路建设和运营造成不利影响，容易引起铁路的不均匀沉降、变形过大和地面开裂，大大缩短了铁路的服役周期。

随着黄土地区经济快速发展，越来越多的科研工作者对湿陷性黄土问题开展了一系列的研究，并取得了丰硕成果。葛苗苗等[1]基于室内试验，从黄土微观结构分析造成其失陷的因素与机理。周凤玺等[2]基于某黄土铁路，揭示了该地区黄土湿陷特性和路基渗透变化规律，为黄土地区相关工程提供了丰富经验。史宝东等[3]通过室内试验对黄土湿陷性进行研究，分析了黄土孔隙比、含水率、内部结构等敏感因素的影响规律，并获得黄土湿陷系数与含水率、孔隙比等之间的关系。郭楠等[4]采用试验手段，研究了在吸力相同的条件下，重塑黄土的湿化变形规律，进一步深入探讨了微观结构。另一部分学者对湿陷黄土的处理问题进行研究。罗小博等[5]以西北湿陷性黄土区某实际工程为例，对该工程的湿陷性黄土开展劈裂注浆试验，以获得黄土的物理力学特征。单超等[6]对灰土挤密桩处理湿陷性黄土施工工艺进行研究，并通过现场施工完善了施工工艺。赵治海等[7]通过试验方法，分析湿陷性黄土场地孔内深层超强夯挤密桩的加密机理，并提出提升治理效果的建议。贾雷宏、江来云、刘海鹏等[8－12]通过理论分析、数值模拟等方法对湿陷性黄土的处理问题进行了系统研究。

本文依托兰州枢纽湿陷性黄土路基工程，利用有限元软件建立三维数值模型，对挤密桩处理湿陷性黄土路基问题进行研究，系统模拟不同桩径下挤密桩施工过程，并获得该过程中地基的位移和应力结果。

2 工程概况

兰州枢纽湿陷性黄土路基工程主要地处河谷区域，地区黄土分布较完整，且土体厚度起伏较大。该路基工程所处地层为第四纪更新统风积黄土，黄土主要有硬塑、针孔发育等特点，尤其是其特有的湿陷性，导致地质条件不佳。通过对路基工程中处理湿陷性黄土的换填、翻压、灰土挤密桩等技术进行综合比较，最终兰州枢纽黄土路基工程选择了灰土挤密桩处理湿陷性黄土。

3 三维数值模型

3.1 计算模型建立

建立长15 m、宽15 m、高10 m的三维数值模型。将地层分为两层，上层为0.5 m厚的黏土，下层为9.5 m厚的湿陷性黄土。模型一共46 858个单元、47 569个节点。模型底部和四周边界条件为完全固定，顶部边界条件为自由。

为研究不同桩径的影响，建立4种桩径模型，分别为0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m，桩长取5 m。

3.2 计算参数选取

根据现场地勘报告，土层的物理力学参数取值见表1。岩土体模型采用摩尔－库伦本构模型，用实体单元模拟。

表1 土层参数

4 数值计算结果分析

图1为4种桩径下监测断面的径向位移曲线。从图1可以看出，桩径对挤密桩周边土体径向位移和挤密范围都有显著影响，径向位移和挤密范围均随着桩径增加而逐渐增大。

图1 不同桩径下监测断面径向位移曲线

为更好地分析挤密桩的挤密效果，将受挤密桩影响的周边土体分为充分挤密区、有效挤密区、挤密影响区和非挤密影响区，如图2所示。

图2 挤密桩影响分区

根据图1计算结果，不同桩径下的影响范围列于表2。灰土挤密桩的影响范围可以归纳如下:充分挤密区为0～0.8 D，有效挤密区为0.8～2 D，挤密影响区为2～3.5 D，非挤密影响区为>3.5 D(D为挤密桩直径，下同)。

表2 不同桩径下的影响范围

图3为不同桩径下挤密范围随深度变化曲线。从图3可以看出，挤密桩挤密范围随着深度增加逐渐增大，在深度为4 m(距桩顶0.8倍桩长)处挤密范围达到峰值。挤密桩桩径对挤密影响区影响显著，挤密桩直径从0.3 m增大至0.4 m时，挤密影响区显著扩大，但随着挤密桩直径的进一步增大，对挤密影响区的影响逐渐缩减。因此，该工程最经济、合理的挤密桩直径为0.4 m。

图4为不同桩径下桩周土体竖向位移曲线。从图4可以看出，挤密桩周边土体会发生隆起。当挤密桩直径为0.3 m时，随着监测点远离桩边，土体竖向位移先增大，在距离桩边约0.2 m(0.7 D)处竖向位移达到峰值，随后继续减小直至为零。竖向位移随着深度逐渐减小，当深度约为2 m(0.4倍桩长)时土体几乎无竖向位移，随后竖向位移继续增大。当挤密桩直径分别为0.4 m、0.5 m和0.6 m时，最大竖向位移发生的位置距桩边分别为1 D、0.8 D和0.75 D，且同样当深度约为2 m(0.4倍桩长)时土体几乎无竖向位移。

图4 不同桩径下桩周土体竖向位移曲线

5 现场监测数据分析

对桩号为K2＋641的断面进行监测，该断面路堤高5 m，将剖面沉降管埋置于路堤基底处，沉降管长度为35 m。同时在路堤两侧路肩、路基中心线处及两侧道路的中间线分别埋设水分传感器，并在沉降管两边布设立方体观测井，该井边长为1 m，用于保护和监测设备。

图5a为不同监测时期K2＋641断面的沉降曲线。从图5可以看出，沉降管埋设后，第一次监测结果显示断面各处都产生了沉降，在路基中心偏右侧位置沉降达到峰值，沉降峰值约205 mm。在施工路基过程中，路基两侧沉降有较为明显的差异，这是因为路基右侧在施工时被用作施工便道。此外，该范围内排水较好导致含水率低，因而导致路基发生较小沉降。

图5 K2＋641断面沉降监测结果

图5b为不同测点的沉降值随监测日期的变化曲线。沉降观测点2号、7号、13号、18号和24号的最终沉降值分别为130 mm、191 mm、195 mm、215 mm、142 mm。从图中可以看出，不同沉降观测点沉降值随监测日期的变化规律大体一致，可以分为如下几个阶段:第一阶段从2016年8月25日至2016年9月1日，该时期为路基沉降显著增大阶段；第二阶段从2016年9月1日至2016年11月2日，该阶段路基沉降增长速率降低；第三阶段从2016年11月2日至2017年7月14日，该阶段路基沉降增长速率进一步降低；第四阶段从2017年7月14日至监测结束，该阶段路基沉降逐渐趋于稳定状态。

图6a为K2＋641断面各层路基每天沉降量变化曲线。可以看出，K2＋641断面各层路基每天的沉降值有差异，首层路基和中间层路基沉降值几乎不随时间变化，底层路基每天沉降值随时间有一定变化，最大沉降为1.3 mm。该时期路基已施工完毕，从图中也可以看出，灰土挤密桩处理该湿陷性黄土路基效果显著。

图6 各层路基沉降监测数据

图6b为K2＋641断面各层路基累计沉降量变化曲线。可以看出，截止到2017年11月24日，首层路基累计沉降值在3 mm左右，累计沉降曲线呈缓慢增长趋势；中间层路基累计沉降变化趋于稳定，累计沉降不超过1 mm；底层路基累计沉降曲线呈现波动增大的趋势，累计沉降最终值在5 mm左右。综上，路基整体处于稳定状态，但不同深度路基依然发生沉降，因此仍需对路基开展持续监测，以保证路基安全。

6 结论

本文依托兰州枢纽湿陷性黄土路基工程背景，建立三维有限元模型，模拟挤密桩挤密过程。以变形和应力为指标，分析了桩径对挤密效果的影响。主要得到以下结论:

(1)挤密桩桩径对挤密桩周边土体位移和挤密范围都有显著影响。灰土挤密桩的影响范围可以归纳如下:充分挤密区为0～0.8 D，有效挤密区为0.8～2 D，挤密影响区为2～3.5 D，非挤密影响区大于3.5 D。

(2)挤密桩挤密范围随着深度增加逐渐增大，在深度为4 m(距桩顶0.8倍桩长)处挤密范围达到峰值。一定范围内增大挤密桩直径能显著扩大挤密影响区，该工程最经济、合理的挤密桩直径为0.4 m。

(3)桩周土体竖向位移随着距桩边距离的增大先迅速增大随后逐渐减小直至为0，在距离桩边约0.7～1.0 D处，竖向位移达到峰值。竖向位移随着深度增加逐渐减小，当深度约为2 m(0.4倍桩长)时土体几乎无竖向位移，随后竖向位移继续增大。

(4)首层路堤沉降小于底层路堤沉降，且路堤各层沉降均很小，路堤施工完毕后路基整体累计沉降量不超过5 mm，满足«建筑地基处理技术规范»(JGJ 79—2012)要求，可见路基整体处于稳定状态，说明灰土挤密桩处理该区域湿陷性黄土路基的效果良好。