素混凝土桩复合地基数值模拟及变形特性研究

摘要 素混凝土桩复合地基作为一种新式地基处理方式，具有结构简单、施工便捷、造价低、承载力大等优点，工程中已得到了广泛应用，但目前素混凝土桩复合地基关于变形特性的研究尚不完善。该文以肇明高速TJ01-01标软土路基为例，通过MIDAS GTS NX软件建立数值模拟模型，模拟路堤逐步填筑过程中，探究桩长对桩顶沉降影响规律。研究表明：随着桩长的增加，桩顶面最大沉降量不断减小，但过大的桩长对路基坡脚附近的沉降控制贡献较小。

关键词 软基处理；素混凝土桩；有限元数值模拟

中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0115-04

0 引言

我国南部沿海高速公路建设区域内有大面积的软土地层，软弱地层主要为淤泥质土和软塑状黏土，其含水量高、孔隙比大、压缩模量小、承载力低[1]，若不能很好地处理此类软弱地基，路基施工后易产生不均匀沉降和土体剪切失稳等现象，从而影响高速公路的质量，存在一定的安全隐患。因此，对软土地基因地制宜地进行加固处理，满足路堤（尤其是高路堤及陡坡路堤）的承载力和沉降要求是必要的。

一般软土地基的处理，主要采用换填和排水固结等手段[2]，但对于软土层较厚、路基上部填筑高度较大的路段，通过换填和排水固结的方法提高地基承载力的能力有限，且需要耗费大量的时间和物力，往往不能满足公路沉降和工期的要求。素混凝土桩复合地基因其承载力高、能有效减少地基变形、控制差异变形、适应性广、经济效益好等优点，在工程建设中得到广泛应用[3-5]。

众多的专家学者对素混凝土桩复合地基进行了大量的研究。唐喆[6]以素混凝土桩复核地基模型室内试验与数值模拟试验展开，研究了不同桩径、不同桩间距、不同置换率下混凝土复合地基受力模型研究；高宇[7]基于模量折减法建立了自重湿陷性黄土场地素混凝土桩复合地基桩间土湿陷模型，分析了不同工况条件下桩间湿陷变形特性；王丽娟[8]通过现场监测、有限元分析等手段，对大直径素混凝土桩复合地基的力学特性进行了研究。

本文主要利用MIDAS GTS NX软件建立数值模型，分析素混凝土桩桩长对路基沉降的影响，为后续类似工程的素混凝土桩设计提供高贵的研究成果。

1 工程概述

肇明至高明高速公路作为粤港澳大湾区一条重要纽带，连接了肇明广宁、高要及佛山高明地区，也是珠三角枢纽（广州）新机场交通网络中的重要组成部分，其战略地位和经济价值不言而喻。这条高速公路对于加强区域联系、促进经济发展、提升城市竞争力等方面都具有重要意义。该项目的实施能够推动肇庆及粤西地区的快速发展，为粤港澳大湾区的经济社会发展作出更大的贡献。

肇明高速TJ01-1施工段MK0+271.2～MK0+563.0为软土路基段，以鱼塘、水沟为主，地基承载力不足，地质概况如下：第一层为2.5 m厚黏性土，承载力容许值约60 kPa；第二层为6.6 m厚黏土，承载力容许值约90 kPa；第三层为6.5 m厚粉质黏土，承载力容许值约120 kPa，持力层为中砂。软土性质和参数见表1。

在高速公路的建设过程中，面对天然软土地基承载力不足的问题，采用素混凝土桩复合地基进行软基处理是一项科学且有效的解决方案。素混凝土桩复合地基通过将素混凝土桩与周围土体共同作用，形成一个复合承载体系，能够显著提高地基的承载力和稳定性，以满足上部路基基础持力层的要求。

该项目设计图采用的素混凝土桩直径为0.4 m，桩长为12.5 m，桩端嵌入持力层1.5 m。桩间距为1.8 m，采用正方形布置。具体布桩形式如图1所示。

2 素混凝土桩复合地基建模及工况分析

2.1 素混凝土桩复合地基有限元模型

利用有限元数值模拟软件MIDAS GTS NX进行模型计算，模型如图2所示。将模型两侧分别扩展20 m以消除边界效应。路基填筑高度为10 m，现场采用2 m冲击碾压，共分5次填筑。为了提高计算结果的准确性，以0.25 m为单元格长度设置垫层，地基中部单元格设置为0.5 m，复合地基模型共计17 590个单元。

在模拟软土地基处理工程中，采用摩尔-库伦本构模型来描述软土地基层、路基填土层及垫层的力学行为，对应的力学参数见表2。而素混凝土桩由于其高刚性和低变形特性，采用线弹性模型进行模拟。接触形式相对应选择了“库伦”摩擦。

2.2 分析工况

为了研究素混凝土桩长对地基沉降变形的影响规律，采用控制变量法建立了桩长分别为11.0 m、11.5 m、12.0 m、12.5 m、13.0 m的5个复合地基模型，以确保试验结果的准确性和可比性。具体模拟工况如表3所示。

3 素混凝土桩复合地基施工数值模拟

首先，进行地基的初始地应力平衡，这是为了模拟地基在自重作用下的初始状态，并消除由此产生的位移。接着，激活素混凝土桩和桩顶垫层的对应网格。最后，分五个阶段（每阶段2 m）激活填土网格，并选择路基中心到路基坡脚处各桩桩顶为观测点，可以全面反映路基在填筑过程中的沉降变形情况。图3为布置桩长为11.5 m的素混凝土桩复核地基和未布置素混凝土桩2种不同工况下路基沉降量的变化曲线。观测结果显示：无论是否设置素混凝土桩，路基中心桩顶的沉降量最大，且随着离路基中心点距离的增大，沉降量逐渐减小，坡脚处沉降量达到最小值。

沉降量对比：在未设素混凝土桩的情况下，路基中心处的沉降量达到了0.393 m，而设置素混凝土桩后，这一数值显著降低到0.052 m，降低了86.8%。同样地，坡脚处的沉降量也从0.034 m降低到0.009 m，降低了73.53%。这表明素混凝土桩在减小地基沉降方面发挥了巨大作用。

作用机制：素混凝土桩通过其高刚性和承载力，有效地将上部荷载传递到更深的土层中，从而减小了地基的压缩变形。同时，桩与桩之间的土体也受到了桩的约束作用，使得土体的侧向变形受到限制，进一步减小了地基的沉降。

图4为当素混凝土桩的长度为11.5 m时，复合地基桩顶沉降随填土高度增加而变化的规律。

从图4可以看出，随着路基填土高度的逐步增加。素混凝土桩桩顶的沉降量也呈现出逐步上升的趋势。

图4还表明，路基坡脚位置的沉降增加值与路基中心位置相比变化较小，且随着路基填土高度的上升，相邻桩顶之间的沉降量变化范围也在不断扩大。同时，由于地基土体的非均质性和桩体布置的不均匀性，路基底部的沉降差异会逐渐累积并扩大。

4 素混凝土桩对路基沉降的影响分析

考虑桩端打入持力层的长度0～2 m，保持路基填土高度为10 m不变，分析素混凝土桩长为11.0 m、11.5 m、12.0 m、12.5 m、13.0 m时，路基沉降的变化规律。路基的填筑高度为10 m时，在保持打入持力层长度及路基填土高度为10 m不变的条件下，不同桩长条件下的路基沉降的变化规律如图5所示。

4.1 桩长对路基中心沉降的影响

随着桩的长度增大，路基中心位置的桩顶沉降逐步降低。具体趋势如下：桩长为11.0 m时，中心处的沉降量为56.5 mm；桩长为11.5 m时，中心处的沉降量为51.7 mm；桩长为12.0 m时，中心处的沉降量为47.5 mm；桩长为12.5m时，中心处的沉降量为44.9 mm；桩长为13.0 m时，中心处的沉降量为41.9mm。

这一趋势表明，增加桩长可以有效降低路基中心的沉降量，因为更长的桩能够更深入地穿透软土层，将荷载传递到更坚实的持力层上，从而提高了地基的承载能力。特别地，当桩长从11 m增加到11.5 m时，沉降量变化最大，这主要是因为11 m的桩长可能未完全嵌入持力层，导致桩的承载性能未充分发挥。

4.2 桩长对坡脚沉降的影响

与路基中心相比，坡脚处的桩沉降量变化较小。具体数据为：桩长为11.0 m时，坡脚处的沉降量为9.4 mm；桩长为11.5 m时，坡脚处的沉降量为8.6 mm；桩长为12.0 m时，坡脚处的沉降量为8.1 mm；桩长为12.5 m时，坡脚处的沉降量为7.8 mm；桩长为13.0 m时，坡脚处的沉降量为7.3 mm。

数据分析得出：增加桩长对坡脚沉降的改善作用有限。适当增加素混凝土桩嵌入持力层的深度，可以在一定程度上提升桩的承载能力，从而降低地基沉降量。然而，也应注意到桩长增加带来的成本增加和施工难度。因此，在实际工程中，应根据地质条件、工程要求和经济效益等因素综合考虑，确定合理的桩长。

此外，考虑路基中心与坡脚的沉降差异，应严格限制路基中心附近的素混凝土桩的长度，以确保中心区域的沉降得到有效控制。同时，可以适当缩短坡脚附近的桩长，以降低成本并避免不必要的浪费。

综上所述，素混凝土桩的长度对路基沉降具有显著影响，特别是在路基中心区域。通过合理设计桩长，可以有效控制地基沉降，提高道路工程的稳定性和安全性。

5 结论

该文以肇明高速TJ01-1施工段MK0+271.2～MK0+563 素混凝土桩复合地基路段为研究对象，利用MIDAS GTS NX软件建立了数值模型，深入分析了设桩与否对路基沉降量的变化规律，以及设桩情况下，素混凝土桩桩长对路基沉降的影响，研究成果为类似工程的设计提供了宝贵的参考依据，主要结论阐述如下。

（1）对比未设素混凝土桩的软土路基段与设桩后的路基段发现，设桩后路基的沉降量相比未设桩的软土路基段有了显著的减少。

（2）在素混凝土桩复合地基中，路基的沉降量随着填土高度的增加而发生一系列变化：①沉降量随填土高度增加而增加；②由于路基的荷载分布存在差异性，路基中心线的沉降量会大于坡脚处的沉降量；③随着路基填土高度的增加，相邻桩顶间的沉降量变化幅度不断增大；④路基填筑高度越大，路基底部的差异沉降就越明显。

（3）不同桩长工况下的桩顶沉降变化趋势相似：路基中心处沉降量最大，坡脚处沉降量最小。桩端嵌入持力层的深度越大，桩侧摩擦阻力越大，复合地基沉降量越小。桩长对坡脚位置的沉降量变化的影响并不显著，应严格限制路基中心附近的素混凝土桩的长度，并适当缩短坡脚附近的桩长。

参考文献

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[6]唐喆.陡坡路段软弱土素混凝土桩复合地基受力模型试验研究[D].重庆：重庆交通大学， 2023.

[7]高宇.黄土场地素混凝土桩复合地基桩间土湿陷特征研究[D].西安：西安建筑科技大学， 2019.

[8]王丽娟.成都地区大直径素混凝土桩复合地基受力特性研究[D].成都：西南交通大学， 2013.