水泥砂浆桩加固软土路基效果及参数影响分析

■钟伟珊

（广东粤路勘察设计有限公司，广州 510630）

近年来，我国高铁建设事业蓬勃发展，在建设过程中常常遇到软土地基情况， 加剧了施工的难度，如何对软土地基进行加固，成为了工程师们重点关注的问题。 相关学者进行了一些研究，主要有：金海元、王显利等[1-2]以某高速铁路路基处理为研究对象，采用水泥砂浆桩进行地基加固处理，并对施工完成后一年内的路基沉降进行了观测分析，结果表明，路基沉降已基本稳定，沉降完成比例在90%以上，满足高铁路基沉降控制标准，也说明了水泥砂浆桩在软土路基加固中的有效性和可行性。 谭远发、罗志生等[3-4]以某铁路项目为研究对象，研究分析了水泥砂浆桩在处理15 m 软土中的效果， 研究表明，水泥砂浆桩加固软土效果良好，具有推广的价值。 郭铄、王驰等[5-6]以某铁路工程软基处理为研究对象，重点研究了水泥砂浆桩处理软基的加固机理、施工工艺、参数取值和加固效果，结果表明，采用水泥砂浆桩处理软基是可行的，最后对相关施工工艺进行了深入研究。 甘兴旺[7]通过分析得出水泥砂浆桩作为一种新型软基处理形式，具有加固效果好、施工方便等特点，并对该方法加固机理、施工工艺、设计参数和注意事项进行了详细介绍。 本文以某铁路工程采用水泥砂浆桩加固为研究对象，采用有限元软件PLAXIS 建立数值分析模型， 分析了水泥砂浆桩加固路基效果，重点讨论了参数变化对路基沉降变形的影响，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某铁路工程穿越软土地区， 路面宽度为24.5 m，拟采用水泥砂浆桩进行加固处理，地基加固主要以粉质黏土为主， 持力层区主要以黏土为主，水泥砂浆桩加固路基如图1 所示， 路堤土高度为4.5 m，其中砂石垫层厚度为0.5 m，粉质黏土和黏土高度均为8 m。 路基的顶部宽度和高度分别为12.25 m 和4.5 m，坡率为1∶1.5，施工时采用分层铺填碾压的方法。 水泥搅拌桩设计桩长为10 m，桩径为0.5 m，桩间距为1.3 m。

图1 水泥砂浆桩加固路基示意图

2 数值建模

采用有限元软件PLAXIS 建立的数值模型，如图2 所示。 由于路基的对称性，取右半幅进行分析，路基的顶部宽度和高度分别为12.25 m 和4.5 m，坡率为1∶1.5，模型整体宽度为50 m，模型长度取10 m，模型整体高度为20.5 m，砂石垫层厚度为0.6 m。水泥砂浆桩长为10 m，其中加固区和持力层分别为8 m 和2 m，桩径为0.5 m，桩间距为1.3 m。采用摩尔-库伦本构模型模拟分析，除上边界外，模型其他边界均进行位移约束。

图2 数值模型图

土层材料的物理力学参数见表1，路堤土和砂石垫层均为排水，加固区为不排水。 桩与土工格栅的材料参数见表2。

表1 土层材料的物理力学参数

表2 水泥砂浆桩与土工格栅的物理力学参数

3 现场监测与数值模拟对比分析

验证数值模拟方法的可行性，数值模拟和现场实测值对比如图3 所示。 由图3 可知，二者吻合良好，误差在10%之内，验证了本文模拟过程和方法的准确性，可用于后续的拓展分析。

图3 数值模拟和现场实测值对比曲线

4 数值结果分析

4.1 加固效果分析

对水泥砂浆桩加固路基效果进行分析，加固处理前后路基沉降如图4 所示。 由图4 可知，加固前路基最大沉降值约为170 mm，加固后路基沉降值为90 mm 左右。 因此，采用水泥砂浆桩加固路基具有较好的效果。

图4 加固处理前后路基沉降云图

为了更加直观的显示水泥砂浆桩加固路基效果，加固前后路堤监测点沉降表如表3 所示。由表3可知，采用水泥砂浆桩加固之后，路面的沉降减小40%以上，靠近路基两侧减小程度略小。

表3 加固前后路堤监测点沉降

4.2 参数变化对路基沉降变形影响分析

为了探索参数变化对路堤沉降的影响，本节重点分析桩间距、桩长、桩身刚度变化以及有无垫层和土工格栅对路基沉降变形的影响。

桩间距变化对路基沉降的影响。 以桩间距取1.0 m、1.3 m 和1.6 m 为例进行分析，桩间距变化对路基沉降影响曲线如图5 所示。 由图5 可知，随着桩间距的减小，路基沉降有减小的趋势。 以路基正中心为例， 桩间距取1.6 m、1.3 m 和1.0 m 时路基沉降分别-88.16 mm、-84.89 mm、-81.83 mm， 相比于桩间距取1.6 m 时， 桩间距取1.3 m 和1.0 m 时路基值沉降减小了约3.7%和7.2%， 因此工程中可以通过减小桩间距的方法来降低路堤沉降，但同时也要考虑到，当桩间距过小时，桩间土作用难以发挥，且工程成本会增加，工程中应该合理的设计桩间距。

图5 桩间距变化对路基沉降影响曲线

桩长变化对路基沉降的影响。 以桩长取8 m、10 m 和12 m 为例进行分析，桩长变化对路基沉降影响曲线如图6 所示。 由图6 可知，随着桩长的增大，路基沉降逐渐减小。 以路基正中心为例，桩长取8 m、10 m 和12 m 时路基沉降分别-99.39 mm、-86.82 mm 和-76.19 mm，相比于桩长取8 m 时，桩长取10 m 和12 m 时路基值沉降减小了约12.6%和23.3%，这是因为随着桩长的增加，桩侧摩阻力增大，路基承载力增大，故工程中可以通过增大桩长的方法来减小路堤沉降。

图6 桩长变化对路基沉降影响曲线

桩身刚度变化对路基沉降的影响。 以桩身刚度取1×108N/m、2×108N/m 和3×108N/m 为例进行分析， 桩身刚度变化对路基沉降影响曲线如图7 所示。 由图7 可知，随着桩身刚度的增大，路基沉降略有减小。 以路基正中心为例， 桩身刚度取1×108N/m、2×108N/m 和3×108N/m 时路基沉降分别-90.14 mm、-87.35 mm 和-86.08 mm， 相比于桩身刚度取1×108N/m 时，桩身刚度取2×108N/m 和3×108N/m 时路基值沉降减小了约3.1%和4.5%，由此可知，桩身刚度增加对减小路基沉降作用有限，工程中不优先考虑通过增大桩身刚度的方法来降低路基沉降。

图7 桩身刚度变化对路基沉降影响曲线

垫层对路基沉降的影响。 对有垫层和无垫层两种工况进行对比分析，有无垫层时路基沉降影响曲线如图8 所示。 以路基正中心为例，无垫层时路基沉降为-90.58 mm，有垫层时路基沉降为-83.69 mm，有垫层时路基值沉降相比无垫层时减小了约7.6%，由此可知， 通过设置垫层可以有效地降低路基沉降，其主要是通过将路基荷载均匀的分散给路基来实现的。

图8 有无垫层变化对路基沉降影响曲线

土工格栅对路基沉降的影响。 对有土工格栅和无土工格栅两种工况进行对比分析，有无土工格栅时路基沉降影响曲线如图9 所示。 以路基正中心为例，无土工格栅时路基沉降为-85.87 mm，有土工格栅时路基沉降为-84.02 mm，有土工格栅时路基值沉降相比无土工格栅时减小了约2.2%，由此可知，通过设置土工格栅对降低路基沉降基本无效果，现有的研究表明，土工格栅对路基抗裂性有较好的效果。

图9 有无土工格栅变化对路基沉降影响曲线

5 结论

本文以某铁路工程采用水泥砂浆桩加固为研究对象， 采用有限元软件PLAXIS 建立数值分析模型，分析了水泥砂浆桩加固路基效果，重点讨论了参数变化对路基沉降变形的影响，得出以下结论：

（1）数值模拟和现场实测值对比曲线吻合良好，误差在10%之内，验证了本文模拟过程和方法的准确性。 采用水泥砂浆桩加固路基具有较好的效果，加固后路面的沉降减小40%以上。

（2）通过减小桩间距可以降低路堤沉降，但当桩间距过小时，桩间土作用难以发挥，且工程成本会增加，工程中应该合理的设计桩间距。 随着桩长的增加，桩侧摩阻力增大，路基承载力增大，工程中可以通过增大桩长的方法来减小路堤沉降。 桩身刚度增加对减小路基沉降作用有限，工程中不优先考虑通过增大桩身刚度的方法来降低路基沉降。

（3）通过设置土工格栅对降低路基沉降基本无效果；通过设置垫层可以有效地降低路基沉降，其主要是通过将路基荷载均匀的分散给路基来实现的。