红黏土软基振冲碎石桩处治效果分析

桓宇

作者简介：桓 宇（1981—），高级工程师，研究方向：公路工程施工。

为分析红黏土软基振冲碎石桩处治效果，文章利用有限元软件进行模拟计算，并与现场试验结果对比确定数值模拟的准确性。分析计算结果和现场试验结果表明：采用碎石桩处治后工后地基沉降得到了控制，有利于孔隙水压力消散；单桩承载力和复合地基承载力均达到了设计要求，说明采用碎石桩处治后地基承载力明显提升，达到了预期的处治效果。

红黏土软基；振冲碎石桩；沉降；孔隙水压力；承载力

U416.1A280993

0 引言

红黏土软基含水量高、天然孔隙比大、承载能力差，因此在路堤施工前必须进行加固处理。如直接在红黏土软基上填筑路堤，在施工荷载和自重荷载作用下，可能会产生严重的不均匀沉降，破坏道路结构。振冲碎石桩的施工工艺简单、施工工期短、成本低［1］，桩体透水性好，可以加速地基土固结，降低软土地基沉降，提升地基承载力。我国的专家和学者通过多年研究，总结出大量软土地基处治方案［2-3］，但由于各地地质情况存在较大差异，所以处治方案还需要根据现场情况进行调整。本文以高速公路红黏土软基振冲碎石桩处治为研究背景，采用数值模拟分析和现场试验两种方法进行研究，通过对比分析确定数值模拟计算结果的准确性，确定红黏土软基振冲碎石桩处治效果。

1 红黏土软基振冲碎石桩处治方案

1.1 工程概况

某高速公路采用双向八车道设计，设计车速120 km/h，整体式路基设计宽度为39 m，分离式路基单幅设计宽度为19.5 m。道路按公路-Ⅰ级荷载设计，沿线有多座桥梁、隧道、涵洞和通道，路基挖方和填方工程量大。道路沿线地势起伏较大，最大高差约200 m，线路穿越河谷地区、低中山区和盆地。盆地地区地势平缓，地面高程1 200 m左右，地层为粉质黏土、红黏土等，其中红黏土含水量高，地基承载能力差。公路沿线气候条件冬季寒冷，夏季不热，年最高气温为35.2 ℃，最低气温为-16.7 ℃，平均气温为10.4 ℃。降雨量充沛，年降雨量在950～1 200 mm，降雨主要集中在每年6～9月。该地区地下水为裂隙水和孔隙水，主要来源于大气降水。道路沿线特殊岩土主要有软土和红黏土，红黏土地基分布于大部分路段，主要有原生红黏土和次生红黏土两类。

1.2 红黏土软基振冲碎石桩处治方案

K13+270～K13+420段位于盆地地区，该路段为红黏土软基，地下水埋深较浅，含水量高、孔隙比高，地基承载能力较差。地基土表层为非饱和土，厚度为2.5～4.0 m，表层土以下为饱和土体，红黏土总厚度约21 m。为提高地基承载力，拟采用振冲碎石桩进行加固处理，按照设计要求，处治后该路段地基承载力≥160 kPa，工后容许沉降量≤30 cm。

采用振冲碎石桩处治红黏土软基，可排出地基土内部的水分，加速基础排水固结，提升地基承载能力。振冲碎石桩施工方案如下：碎石桩设计桩径为0.5 m，采用正三角形布置，桩间距为1.5 m，设计桩长为20 m。所选碎石材料含泥量应≤5%，碎石粒径范围为20～40 mm。振冲碎石桩完工后，桩顶摊铺50 cm厚砂砾石垫层，并在碎石垫层中间铺设一层土工格栅。碎石桩处治范围应超过路基坡脚2 m，并在路基边缘设置浆砌片石护脚。

2 建立模型

2.1 原地基设计参数

按照路堤设计要求，选择K13+270～K13+420段典型断面为研究对象，路堤填筑高度为8 m。路堤顶面宽度为39 m，路基计算宽度为190 m，基础计算深度为25 m，边坡坡度为1∶1.5。路堤沿路基中心轴对称布置，选择一半路基作为研究对象［4］，其顶部宽度为20.5 m，计算宽度为95 m，深度为25 m。

2.2 计算参数

根据施工现场勘察资料和室内试验结果，得出模型各部分计算参数如表1所示。

2.3 边界条件

红黏土地基下部为基岩，根据计算要求确定边界条件：模型底面全约束，模型顶面自由，模型侧面X、Z方向约束，Y方向自由。

红黏土软基振冲碎石桩处治效果分析/桓 宇

2.4 网格划分

利用有限元软件对模型网格进行自动划分，设置边界限制条件、网格控制属性和单元类型。为提高计算精度，本文采用十节点修正二次四面体孔压单元进行模型网格划分［5］。振冲碎石桩模型如图1所示。

2.5 加载工况模拟

路堤填筑分10层加载，每两层加载时间间隔为10 d，填筑总时间为100 d，原状地基沉降计算结果如图2所示。

分析图2可知，路堤顶部出现了明显的不均匀沉降，路基中心位置沉降量最大，达62.41 cm，路肩位置沉降量为39.67 cm，会对路面造成破坏。工后地基顶面沉降量为34.62 cm，超过了设计要求30 cm，路基路面结构容易产生破坏。因此，原地基不满足设计要求，本项目采用碎石桩进行加固处理。

3 红黏土软基振冲碎石桩处治效果分析

3.1 工后地基沉降与孔隙水压力计算结果分析

路堤填筑完成后对复合地基沉降和孔隙水压力进行计算，分析红黏土地基振冲碎石桩处治效果。整理计算数据绘制地基顶面沉降变化曲线如图3所示，分别计算深度为4 m、10 m和20 m位置的地基孔隙水压力，绘制变化曲线如图4所示。

分析图3地基顶面沉降变化曲线，发现在路堤填筑完成后地基顶面沉降早期较大，后期逐渐下降并趋稳。在完工后的前100 d，地基顶面沉降量增幅较大，平均增速为0.225 cm/d。然而，在100 d以后，地基沉降速率明显下降，从100 d到360 d沉降量仅增加了0.7 cm，增幅很小，且在150 d以后沉降量基本没有增加，说明地基已趋于稳定。地基顶面总沉降量为23.20 cm，远低于设计要求的30 cm，说明采用振冲碎石桩处治后红黏土软基承载力明显提升，地基没有产生较大的沉降变形。

分析图4曲线得出，随深度增加地基孔隙水压力不断提高，在路堤填筑完成后孔隙水压力逐渐消散，碎石桩处置深度孔隙水压力消散速度快，超出处治深度消散速度较慢。深度为4 m和10 m位置的地基孔隙水压力在完工后消散速度较快，在60 d以后基本稳定，且在后续没有出现大幅度升降变化。深度为20 m位置的孔隙水压力消散速度较慢，在150 d逐步达到稳定，分析原因是由于这个深度超出了碎石桩的处治范围，孔隙水压力消散速度慢，在工后一段时间内出现了陡增陡降现象。与深度为4 m和10 m位置相比，深度为20 m位置孔隙水压力消散速度慢，说明采用碎石桩处治后地基土孔隙水压力消散速度快，碎石桩处治效果好。

3.2 单桩承载力计算与试验结果分析

按照设计要求，单桩承载力特征值不低于125 kN，按照单桩承载力试验荷载进行模拟加载，计算在不同加载阶段桩顶沉降量，绘制桩顶沉降变化曲线如图5所示。

在施工现场制作试桩，开展单桩承载力试验，最大试验荷载250 kN，分九级加载，第一级加载荷载为50 kN，而后每级增加25 kN，分五级卸载，每级荷载50 kN。在试验过程中记录桩顶沉降量，绘制Q-S曲线如图6所示。

对比分析桩顶沉降计算结果与试验结果，得出在模拟加载和试验加载过程中，桩顶沉降逐渐增加，且最终沉降量均＜40 mm，说明单桩承载力满足设计要求。根据数值模拟计算，桩顶沉降量的最大值为29.42 mm，满足设计要求。现场单桩承载力试验中，桩顶沉降量最大值为29.71 mm，与计算结果相近。结合其他试桩试验结果，各单桩的承载力特征值均高于125 kN，说明碎石桩单侧承载力满足设计要求。

3.3 复合地基承载力计算结果分析

模拟复合地基承载力进行加载，计算地基顶面沉降量，绘制地表沉降变化曲线如图7所示，并与现场试验结果进行对比分析，确定复合地基处治效果。地基承载力不低于160 kN。现场试验最大荷载为320 kN，分九级加载，第一级加载荷载为64 kN，而后每级增加32 kN，分五级卸载，每级荷载64 kN。在试验过程中记录地基顶面沉降量，绘制P-S曲线如图8所示。

对比分析了复合地基承载力的计算结果和试验结果，得出结论：实测地基顶面最大沉降量与计算值十分接近，且均＜40 mm，说明计算结果准确，可用于指导现场施工。复合地基顶面沉降量的计算结果最大值为36.62 mm，实测最大值为36.74 mm，二者比较接近，且均＜40 mm，说明采用碎石桩处治后地基承载力达到设计要求，达到了预期的处治效果。

4 结语

为检验红黏土软土地基振冲碎石桩处治效果，利用有限元建立模型对工后地基沉降量、孔隙水压力、单桩承载力和复合地基承载力进行计算，并与现场试验结果进行对比分析，得出以下结论：

（1）路堤填筑完工后，地基顶面沉降在100 d基本稳定，且总沉降量满足设计要求；碎石桩处治深度内地基孔隙水压力消散速度快，影响范围外孔隙水压力消散速度慢，说明采用碎石桩处治后地基状况得到明显改善。

（2）桩顶沉降量数值模拟计算结果和现场实测最大值接近且均＜40 mm，实测单桩承载力特征值高于125 kN，说明单桩承载力满足设计要求。

（3）复合地基顶面沉降量最大值计算值和实测值分别为36.62 mm和36.74 mm，二者比较接近，说明数值模拟分析结果准确，采用碎石桩处治后地基承载力达到了设计要求，加固效果好。

参考文献

［1］翁振荣.浅谈水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基施工技术在软基处理中的应用［J］.黑龙江交通科技，2021，44（12）：268-269.

［2］邵宗鹤.碎石桩结合反压护道法在公路软基处理中的应用［J］.工程建设与设计，2021（3）：180-182.

［3］徐 俊，韩文喜，魏 浩，等.碎石桩联合PVD软基处理效果数值模拟［J］.建筑结构，2020，50（S2）：679-684.

［4］刘国华.碎石桩的滨江公路软基处理数值模拟及处治方案［J］.黑龙江交通科技，2018，41（10）：84-85.

［5］马丽琴.软基振冲碎石桩承载力机理与治理技术研究［J］.青海交通科技，2017（4）：61-63，82.