灰土擠密樁加固濕陷性黃土路基效果分析

楊 松

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

引言

我國西南地區(qū)存在大量的濕陷性黃土，因其具有結(jié)構(gòu)疏散、孔隙發(fā)育以及雨水潰散等特點，嚴重影響工程的安全。多年以來，國內(nèi)學(xué)者對此進行了一系列研究：趙建文、卵忠軍[1-2]以濕陷性黃土地區(qū)工程為研究對象，采用灰土擠密樁加固建筑地基，結(jié)果表明，采用灰土樁加固后結(jié)構(gòu)的沉降明顯減小，且能滿足工程要求。王亮、王雪浪等[3-4]以濕陷性黃土地區(qū)高速公路建設(shè)為研究對象，采用灰土樁進行地基處理，并對灰土樁的相關(guān)參數(shù)進行了細致分析，研究表明灰土樁加固濕陷性黃土路基方法是奏效的。王奔、劉雙等[5-6]以路基處理為例，分析了擠密樁加固特點，并將灰土擠密樁與素土擠密樁加固效果進行了對比分析，研究成果可為工程提供有利經(jīng)驗。金德福、石杰榮等[7-8]介紹了灰土樁具有施工速度快、成本低等優(yōu)點，并將灰土樁應(yīng)用到工程施工中，據(jù)提供的監(jiān)測可知，灰土樁加固地基可以有效地減小路基沉降，提高路基承載力，消除黃土濕陷性。

1 工程概況

濕陷性黃土地區(qū)某公路路面下穿涵洞，兩處不同土質(zhì)的涵洞分別標注為涵洞1 和涵洞2，二者分別采用灰土置換和灰土擠密樁加固施工。涵洞1 從下往上依次為黃土、素填土、灰土層和路基填土，厚度依次為22 m、1 m、2 m 和6 m，涵洞2 從下往上依次為黃土、擠密土、灰土層和路基填土，厚度依次為22 m、6 m、2 m 和6 m。涵洞2 處設(shè)計的灰土擠密樁樁設(shè)計長為6 m，樁徑為40 cm，樁間距為1.0 m。

2 數(shù)值建模與分析

2.1 模型建立

圖1 為采用有限元軟件Midas/GTS 軟件建立的數(shù)值模型。路基的頂部寬度取值為12 m，高度為4.5 m，坡率為1 ∶1.5。模型整體寬度為60 m，模型長度（垂直路基截面方向）取70 m，土基高度為25 m，涵洞高度為6 m。兩處不同的涵洞1 和涵洞2 分別采用灰土置換和灰土擠密樁加固施工。（1）模型一中黃土、素填土、灰土層和路基填土的厚度依次為22 m、1 m、2 m 和6 m，除混凝土的本構(gòu)模型采用彈性模型外，其他均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。（2）模型二中黃土、擠密土、灰土層和路基填土的厚度依次為22 m、6 m、2 m和6 m，除混凝土的本構(gòu)模型采用彈性模型外，其他的均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型?；彝翑D密樁樁設(shè)計長為6 m，樁徑為40 cm，樁間距為1.0 m，建模均采用實體單位模擬。模型除上邊界外，其他邊界均進行位移約束，模型中各土層材料的參數(shù)取值見表1。

圖1 數(shù)值模型

表1 模型的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬過程

模擬過程中主要施工步驟：（1）模型建立；（2）初始地應(yīng)力計算；（3）涵洞地基處理；（4）涵洞設(shè)置；（5）道路與涵洞過渡段回填直至涵頂；（6）路基填筑施工至設(shè)計標高。

對于涵洞1，地基處理采用灰土換填的方式；對于涵洞2，地基處理采用灰土擠密樁地基處理的方式。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比

圖2 為涵洞1 和涵洞2 復(fù)合地基的現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬監(jiān)測位移對比。涵洞1 和涵洞2 的現(xiàn)場實測得到的復(fù)合地基位移分別為34.3 mm 和25.1 mm，數(shù)值模擬得到的復(fù)合地基位移分別為32.1 mm 和23.2 mm，涵洞1 和涵洞2 的現(xiàn)場實測位移分別比對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果大6.4%和7.6%。由于現(xiàn)場施工情況遠比數(shù)值模擬更為復(fù)雜，因此，認為現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)略大是合理的，也說明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性與合理性。

圖2 現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬監(jiān)測位移對比

此外，數(shù)值模擬結(jié)果也說明，采用Midas/GTS 數(shù)值模擬軟件可以較好地反映灰土擠密樁復(fù)合地基施工和灰土換填施工，可以用來分析濕陷性地區(qū)地基加固施工。

3 灰土擠密樁加固地基效果分析

3.1 灰土擠密樁加固地基云圖分析

圖3 為涵洞2 最終沉降云圖，可知，最大沉降發(fā)生在復(fù)合地基的中心處，灰土擠密樁加固區(qū)的位移明顯小于同深度未加固區(qū)域，說明灰土擠密樁具有較好的加固效果。

圖3 涵洞2 最終沉降云圖

3.2 參數(shù)分析

為了分析各種參數(shù)變化對涵洞中心斷面路基沉降的影響，通過改變樁長、樁徑和樁間距進行分別分析。圖4 為涵洞中心斷面沉降隨樁長變化的規(guī)律，可知，隨著樁長的增加，涵洞中心斷面沉降逐漸減小。樁長分別取5 m、6 m 和7 m 時對應(yīng)的沉降依次為29.28 mm、25.38 mm 和23.76 mm，相比于樁長取5 m 時，當樁長取6 m 和7 m 時對應(yīng)的沉降依次減小了13.3%和18.9%。即隨著灰土擠密樁樁長的增大，可以有效減小路基沉降，但減小速率隨樁長的增大而減小，工程中可以通過合理設(shè)計樁長來減小路基沉降并保證施工經(jīng)濟。

圖4 涵洞中心斷面沉降隨樁長變化規(guī)律

涵洞中心斷面沉降隨樁徑變化的規(guī)律見圖5，可知，隨著樁徑的增加，涵洞中心斷面沉降逐漸減小。樁徑分別取0.35 m、0.4 m 和0.45 m 時對應(yīng)的沉降依次為27.83 mm、25.38 mm 和24.41 mm，相比于樁徑取0.35 m 時，當樁徑取0.4 m 和0.45 m 時對應(yīng)的沉降依次減小了8.8%和12.3%，即隨著灰土擠密樁樁徑的增大，使得路基沉降明顯減小，且減小速率隨樁徑的增大而減小，綜上可知，工程中可以通過合理設(shè)計樁徑來減小路基沉降。

圖5 涵洞中心斷面沉降隨樁徑變化的規(guī)律

涵洞中心斷面沉降隨樁間距變化的規(guī)律見圖6，可知，隨著樁間距的增加，涵洞中心斷面沉降逐漸增大。樁間距分別取0.8 m、1.0 m、1.5 m 時對應(yīng)的沉降依次為24.79 mm、25.38 mm、27.69 mm，相比于樁間距取0.8 m 時，當樁間距取1.0 m 和1.5 m 時對應(yīng)的沉降依次增大了2.4%和11.7%，即隨著灰土擠密樁樁間距的增大，路基沉降增大，且增大速率隨樁間距的增大而增大，工程中可以通過合理設(shè)計樁間距來保證路基沉降滿足要求，同時使得施工經(jīng)濟合理。

圖6 涵洞中心斷面沉降隨樁間距變化規(guī)律

4 結(jié)語

（1）涵洞1 和涵洞2 的現(xiàn)場實測位移與數(shù)值模擬結(jié)果相近，說明數(shù)值模擬可以較好地反映灰土擠密樁復(fù)合地基施工和灰土換填施工，可以用來分析濕陷性地區(qū)地基加固施工。（2）計算后最大沉降發(fā)生在復(fù)合地基的中心處，灰土擠密樁加固區(qū)的位移明顯小于同深度未加固區(qū)域，說明灰土擠密樁具有較好的加固效果。（3）隨著灰土擠密樁樁長、樁徑的增大，路基沉降明顯減小，且減小速率隨樁長和樁徑的的增大而減小；隨著灰土擠密樁樁間距的增大，路基沉降增大，且增大速率隨樁間距的增大而增大。工程中可以通過合理設(shè)計樁長、樁徑和樁間距來保證路基沉降滿足要求，同時使得施工經(jīng)濟合理。