碎石挤密桩复合地基应用研究——以遵义到赤水某段高速公路为例

燕志恒 宁夏建筑科学研究院股份有限公司

一、引言

在高速公路的施工过程中，软土及软弱地基的处理质量将直接决定整个工程的质量，从而跟施工工期是否减少，路的建造价格是否实惠，施工过程是否安全等都有密切的联系。碎石桩复合地基就是处理软弱地基的一种有效方法，可以节省木材、钢材和水泥的损耗进而减少施工的开支，另外它还具有施工简单和加固期短等特点。目前，国内外学者根据实际的地基处理方法，深入研究了碎石桩复合地基，但是由于所假设的情况不同，研究提出的桩土应力比的计算公式也不同，因此，目前为止，没有相对完善的计算模式能够被广泛的应用在建筑工程中。所以，分析国内外在碎石桩复合地基理论探究的优缺点，对碎石桩复合地基理论进行系统深入的研究具有重要的理论意义和实用价值[3-6]。

二、遵义—赤水高速公路碎石桩复合地基加固数值模拟

（一）ABAQUS 简介

ABAQUS 的功能强大，用于很多种工程模拟的一种有限元软件，它解决问题的范围很广，相对简单的线性分析和更多复杂的非线性问题都能进行分析。各种类型的材料模型也包含在内，主要是用来分析典型材料的工程力学问题，有高分子材料、橡胶材料、复合材料、超弹性泡沫、土壤、岩层、地质材料、金属等很多材料。ABAQUS 是一种适用性很广的模拟工具，不仅能分析很多结构问题，还能够分析很多其他工程问题，像耦合分析、地质力学分析、声学分析、电流分析、形态分析、物体成型分析、分子结构分析等。

有限元模型的图形机器分析最终结果的图形都是由可视化模块提供。

表1 土层基本指标

（二）碎石桩沉降分析

1.工程概况

遵义—赤水高速中的一个路段上，其地基承载力在设计层面要求达到250kPa。这一路段中，土层的基本指标见表1。由表1可见，若采用天然地基，残积砂质粘性土以上的土层均难以满足路面对地基承载力及变形要求。因此，需要对天然地基进行人工加固处理。

2.碎石桩复合地基基本特性

遵义—赤水高速其中一段是用的碎石桩复合地基，除了承载能力优良以外，还有下面三个方面的作用：减震作用、排水减压作用和密实作用。

碎石桩在成桩的过程中，侧向压缩高速公路软土地基，这一过程使得碎石桩内部的土挤压密实；另外，要想使得土颗粒重新排列而密实，可以用振冲和干冲的施工方法，可以使得软土地基上下震动达到效果。

同时，碎石桩也是一种很好的散体材料，透水性能很强，在土层中能产生特别好的天然排水系统，不仅减少了排水路程，还能加大消散超孔隙水，这样一来，就无形中使得了土层的抗剪强度也得到了大大的加强，故而遵义—赤水高速公路可采用碎石桩处理。

3.碎石桩复合地基变形机理分析

遵义—赤水高速公路上采用复合地基的话，所承受的载荷主要来自两个方面，分别为路面汽车的动载荷跟路基的永久载荷。软土地基在路基荷载作用下时间（t）位移（s）关系如下图所示。

在汽车瞬时载作用下，软土地基刚开始的变形量会很大，然后随着时间的推移，其变形量又在逐渐减小，然后会在2～4 年期间达到一种稳定的状态。软土地基在路基荷载作用下时间位移关系如图1 所示。

图1 软土地基在路基荷载作用下s-t曲线

（三）碎石桩复合地基计算模型

1.静力计算模型

静力的计算方式是利用渗流/应力耦合来分析，对于符合地基的施工桩体、路面分层填满、分层铺设和交通载荷的作用下，其地基的全部过程的孔压，应力，唯一等响应的分析。

在此模型中，模型中自上而下为0.69m厚的路面层、4m 高的路堤、0.5m 厚的砂垫层、碎石桩复合地基和粉土层等。路面层和砂垫层采用线弹性模型模拟，模型参数见文献[40]。计算中采用等刚度原理将碎石桩复合地基等效为碎石桩墙，碎石桩墙的模量：

式中，E定义为碎石桩的模量，向碎石桩数目为n，A为碎石桩的横截面积，D，L分别为板状的厚度和纵向长度。碎石桩墙的问题可采用平面应变模型来分析，碎石桩复合地基计算模型如图2 所示。

图2 碎石桩复合地基计算模型

静力计算模型的加载时程如图3 所示。

图3 静力计算模型的加载时程

2.地震动力计算模型

地震力的计算公式如下

式中，k2、n为动力材料参数、v为松柏比、w为元周率。

地震动力计算主要包括以下几个程序：首先通过静力分析计算出地震荷载施加前各单元的围压；再通过线性摄动分析提取模型的基频；通过式（4）和（7）分别计作为下次迭代的输入新参数，直至迭代计算的动应变基本稳定。则迭代计算后参数可作为地震计算的基本参数，计算地震动力响应问题。计算模型底部输入的地震加速度时程如图4 所示。

图4 输入加速度时程曲线

（四）计算结果分析

1.静力计算结果

为了验证数值计算模型，选取遵义到赤水高速的典型碎石桩复合地基路段，将数值计算结果与现场沉降观测数据进行分析对比，如图5 所示。

图5 观测值与数值计算结果的对比

在路堤填筑完成后，路堤中心位置孔压沿深度的变化如图5 所示，从计算结果可见碎石桩加固范围内超静孔压有较大的消散，而碎石桩复合地基的下卧土层中的孔压随着深度逐渐上升。桩长对复合地基中的孔压最大值的影响如图6 所示，从分析计算结果可见，碎石桩在路堤的填筑和运行期起到了明显的排水固结作用，在桩长大于6m 后碎石桩复合地基中的孔压最大值变化较缓慢。

在15 年运行期后桩长对路堤底面中心沉降量的影响如图7 所示，从计算结果可见，在桩长大于10m 后对路堤底面的沉降量影响较小。桩长对坡脚位置地基中水平位移量的影响如图8 所示，从计算结果可见，在坡脚位置的深层水平位移量有两个极值点，一个位于地面以下约1m 的位置，另一个位于碎石桩的桩底附近。

图6 路堤中心在填筑后的孔压分布

图7 碎石桩复合地基中的孔压最大值的变化

图8 桩长对路堤底面中心沉降量的影响

图9 桩长对坡脚水平位移量的影响

图10 不同位置水平向加速度时程曲线

图11 路堤中心水平位移最大值分布

图12 路堤中心竖向位移最大值分布

2.地震动力计算结果

通过对模型施加如图3 所示的地震加速度，得到模型底部和路堤顶面的加速度时程曲线如图9 所示，可见路堤顶部的水平向加速度峰值较底面大。

路堤中心线下，各单元在地震荷载过程中水平位移量最大值和竖向位移量的最大值，分别如图10 和图11 所示。从路堤中心水平位移最大值分布可见：在复合地基加固范围7 的水平刚度较大。

根据数值计算结果绘制动剪应力比τ/σ0的分布图如图12 所示，其中τ为地震中各单元的循环剪应力最大值。本文通过数值计算发现天然地基在路堤坡脚下方、路堤边坡等位置的动剪应力比较大，而碎石桩复合地基在加固区域，动剪应力比有一定的降低，因此能从一定程度上降低地震液化的影响。

三、结束语

经过一系列的相关数值的计算，分析了碎石桩的路堤路面分层次填充筑造、施工的全部过程，在交通荷载作用的情况下对碎石桩复合地基制造的每个阶段进行静力分析，还分析了地震动力荷载作用情况下的相关问题，最终总结出以下结论：

（1）这些使用的数值计算模型能够很好的仿真碎石桩复合地基的相关问题。当对路堤进行填充筑造和实施运行的阶段，碎石桩的显著作用就是排水凝固效用，如果桩体的长度超过6m，复合地基中的孔隙压力的极限值的改变速度很慢，如果桩体长度超过10m，会导致路堤底面的沉降量减小。

（2）当受到地震载荷的作用时，路堤顶端的水平方向上的加速度的最大值要大于路堤底部的值，在碎石桩体的凝固范畴内，复合地基在水平上的刚度要比天然地基的刚度大，所以复合地基在水平方向上位移的最大值要比天然地基的大；相对整体地基内部而言，复合地基在竖向上的刚度也都大于天然地基，所以复合地基在竖向上发生的位移要比天然地基大。天然地基在路堤边坡、路堤坡脚下方等地方很容易发生液化现象，但是通过碎石桩进行加固之后，就在一定程度上减少了地基液化现象发生的可能性。