滨海地区道路软土地基加固效果研究

2015-03-15李晓鹏

天津建设科技 2015年6期

□文/李晓鹏

滨海地区道路软土地基加固效果研究

□文/李晓鹏

滨海地区软土分布非常广泛，软土天然含水率高、孔隙比大，在软土上修建的道路工程，若地基处理不当，往往出现过大的沉降，引起道路病害。水泥搅拌桩复合地基法由于工期短，处理效果好，在工程中得到了广泛的应用。文章结合天津滨海地区某道路工程，应用数值模拟技术对水泥搅拌桩处理软土地基进行研究，分析了水泥搅拌桩桩长、桩径及桩间距离对软土地基加固效果的影响。研究表明，水泥搅拌桩复合地基法处理滨海软土地基具有良好的效果，较为适用于天津滨海地区的软基处理。

滨海地区；道路工程；软土地基；水泥搅拌桩

天津地处华北平原的北部，东临渤海，区域地势平坦，分布有大量淤泥或淤泥质土等软土。在天然地基上直接修建市政道路工程，往往会遇到路基沉降不满足变形设计要求的问题，需要对地基进行加固处理。滨海地区软土地基常用的处理方法有深层搅拌法、强夯固结法、排水固结法（真空预压法、堆载预压法、真空联合堆载预压法）等。结合天津当地软土地基加固经验，水泥搅拌桩法应用较为广泛。

水泥搅拌桩法处理后的地基属于柔性桩复合地基，主要是利用深层搅拌机械，在地基深处将原位土与水泥等固化剂材料进行搅拌，形成抗压强度比天然土强度高得多的水泥加固土体，与原位土共同承担上部结构荷载。

本文采用MARC有限元分析软件，建立有限元数值模型，模拟水泥搅拌桩桩长、桩径及桩间距离变化情况下路基沉降的变化规律，分析对软土地基加固效果的影响。

1 有限元模型建立

1.1 工程地质条件

1）①人工填土层。人工堆积，根据填土所包含的成分，本层又可以分为以下2个亚层：

（1）①1杂填土，层厚约0.40～2.70 m，层底标高为0.24～2.62 m，主要在道路沿线表层，杂色，含生活垃圾、石子、砖块、碎石等；

（2）①2素填土，层厚约0.40～4.50 m，层底标高为3.29～-8.73 m，主要分布在耕地、鱼塘之间，褐色～灰黄色，以粘性土为主，可塑状态，局部硬塑状态，含铁质、植物根系等。

2）②灰黑色淤泥层。层厚约0.50～3.40 m，层底标高-1.94～1.76 m，主要分布在现有河、浜塘处，含腐植质、杂物，味臭，工程地质差。

3）④灰黄色粘土，第I陆相层。为河床～河漫滩相沉积，层厚约为0.50～3.20 m，层底标高约为-2.50～1.76 m，呈可塑状态，含氧化铁，局部为粉质粘土。

4）⑥第I海相层。为浅海相沉积。根据土的不同物理性质，本层又可以分为6个亚层：

（1）⑥1灰色淤泥质粘土，层厚约为1.10～7.20 m，层底标高约为-8.00～-0.99 m，含云母、有机质、贝壳碎屑，局部为粉质粘土，流塑状态，高压缩性；

（2）⑥11灰色粉质粘土夹粉土，层厚约为0.52～3.50 m，层底标高约为-7.14～-2.29 m，含云母、夹粉土较多，呈透镜体状，软塑状态，中等压缩；

（3）⑥2灰色粉质粘土，层厚约为0.80～8.20 m，层底标高约为-12.10～-4.95 m，含云母、有机质局部为粘土，呈流塑～软塑，中～高压缩性；

（4）⑥21灰色粉土，层厚约为0.50～1.60 m，层底标高约为-9.66～-5.85 m，含云母，呈透镜体状，呈稍密状，分布不连续；

（5）⑥3灰色粉质粘土，层厚约为0.90～4.30 m，层底标高约为-13.26～-8.52 m，含有机质、夹少量粉粉土，呈软塑状，中～高压缩性；

（6）⑥4灰色粉土，层厚约为0.60～5.20 m，层底标高约为-15.34～-9.18 m，含云母、夹少量粘性土，呈稍密状。

5）⑦灰白～灰褐色粉质粘土，第II陆相层。为沼泽相沉积，层厚约为0.40～4.30m，层底标高约为-15.89～-9.49 m，主要揭示为粉质粘土，局部夹少量粉土，灰白色～灰褐色，含腐植质，顶部夹灰黑色泥炭薄层，呈可塑状，中等压缩。

6）⑧第II陆相层。为河床～河漫滩相沉积，根据土的不同物理性质，本层又可以分为以下3个亚层：

（1）⑧1灰黄～褐黄色粉质粘土，厚度约为0.44～5.60 m，层底标高为-18.92～-13.06 m，含氧化铁、夹少量粉土，呈可塑状，中等压缩；

（2）⑧21黄褐～褐黄色粉土，厚度约为2.00～9.20 m，层底标高为-25.66～-14.53 m，含氧化铁、夹少量粘性土，局部为粉砂，呈中密～密实，中等压缩；

（3）⑧22褐黄色粉质粘土夹粉土，厚度约为3.30～10.00 m，层底标高为-25.66～-17.43 m，含铁锰结核、夹粉土较多，呈可塑状，中等压缩。

1.2 几何模型

基于路基的对称性，为简化计算，只建立路基右半幅的模型。路基顶面宽15 m，填土高度4 m，路基边坡按1∶1.5放坡，路堤坡脚至模型右边缘的距离为20 m，模型全宽41 m，沿道路纵向取10 m进行研究。根据地质资料并考虑模型计算简便，对地基土层进行简化处理，共分为3层：4 m素填土，10 m淤泥质粘土，10 m粉质粘土。以桩长14 m，桩径0.6 m，桩间距2 m为例，其几何模型见图1。

图1 几何模型

1.3 本构模型与边界条件

MARC软件中提供的屈服准则有Von.Mises屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则等，岩土体在变形过程中，应力与应变关系呈非线性，为跟踪加载历史求位移、应变和应力的全量，采用Mohr-Coulomb屈服准则，本构关系采用增量形式来描述。

计算模型近似为半空间无限体，对于计算模型边界条件，将模型下部底面及竖直侧面X、Y、Z方向位移固定。

1.4 有限元建模

单元划分采用六面体八结点实体单元，把实体离散成有限元单元时，考虑研究的需要，尽可能加密水泥搅拌桩及桩周土体单元，由近到远，由密到疏过渡，这样既可确保计算精度又节省运算时间。道路软土地基加固有限元分析模型见图2。

图2 有限元模型

2 数值模拟计算

2.1 计算参数

道路路基填土重度为17.5 kN/m3，水泥搅拌桩及土体参数见表1。

表1 有限元分析模型材料参数

2.2 计算结果分析

根据MARC有限元软件计算，提取路基中心线处的路基沉降，其不同桩长、桩径及桩距情况下的分析结果。

1）桩长变化分析。、计算模型桩径0.6 m，桩间距离2 m时，分析水泥搅拌桩布置形式为梅花形和正方形两种情况下，桩长变化对路基沉降的影响，见图3。

图3 不同桩长时路基沉降

2）桩径变化分析。计算模型桩长14 m，桩间距离2 m时，分析水泥搅拌桩布置形式为梅花形和正方形两种情况下，桩径变化对路基沉降的影响，见图4。

图4 不同桩径时路基沉降

3）桩距变化分析。计算模型桩长14 m，桩径0.6 m时，分析水泥搅拌桩布置形式为梅花形和正方形两种情况下，桩间距离变化对路基沉降的影响，见图5。

图5 不同桩距时路基沉降

由图3-图5可以看出，桩径0.6 m，桩间距离2 m时，随着桩长的增加，路基的沉降值变小，以梅花形布置为例，桩长10 m时，路基中心线处的沉降值为11.5 cm，桩长为16 m时，沉降值为10.8 cm，沉降减小了6%；桩长14 m，桩间距离2 m时，随着桩径的增加，路基的沉降值变小，以梅花形布置为例，桩径0.6 m时，路基中心线处的沉降值为10.9 cm，桩径1.2 m时，沉降值为7.3 cm，沉降减小了33%；桩长14 m，桩径0.6 m时，随着桩距的增加，路基的沉降值变大，以梅花形布置为例，桩距1.4 m时，路基中心线处的沉降值为9.1 cm，桩距2 m时，沉降值为10.9 cm，沉降增加了20%；在其他条件相同的情况下，水泥搅拌桩采用梅花形布置相较于正方形布置，对软土地基的加固效果更好，路基沉降值可以减少2%～5%。