长短桩在公路软土地基中的应用研究

张丽君

(太原公路分局娄烦公路管理段 太原市 030012)

0 引言

由于我国地理条件特征,高等级公路工程建设中不可避免地会遇到特殊地质。软土具有含水量大、压缩性高、承载力低等特点。刘松玉等在软土地基处理中针对搅拌桩工艺问题提出了双向水泥土搅拌桩技术,对比分析了双向搅拌桩和传统搅拌桩施工后的加固效果,认为双向搅拌桩工艺能够提高搅拌桩的均匀性,消除冒浆现象,该工艺下的复合地基的承载能力较传统方式更强[1]。魏星对公路软土地基在交通荷载下的长期沉降进行了研究,通过大量试验数据,提出了长期荷载作用下沉降的变形计算模型,并采用三轴试验进行了模拟试验,验证了新计算模型的适用性及合理性[2]。李月光对影响软土路基沉降的各因素进行了梳理,在此基础上对各个敏感因素在地基沉降中的影响程度进行了研究,利用灰色理论进行关联分析,得出了各个影响因素的敏感系数[3]。左殿军等分析了塑料套管混凝土桩加固软土地基的作用机理,并进行地表变形、桩应力、孔隙水压力等参数的现场试验研究,结果表明,桩帽和桩间土的差异性沉降最大值为30mm,桩的应力集中随桩土间的差异性沉降值降低而减小,塑料套管混凝土桩能够有效控制路堤的水平位移,提高路堤的整体稳定性[4]。赵亮等对比分析了CFG桩、碎石桩、CFG桩与碎石桩联合加固三种不同方案在贵州某高速公路的处理效果,并认为CFG桩基加固效果最佳[5]。张秀勇等结合室内试验和数值模拟手段,对碎石桩复合地基加固软土地基的效果进行了分析,结果表明,碎石桩复合地基可显著改善深厚软土地基稳定性,提高其承载能力[6]。目前,对于软土地基的处理方法很多,针对不同的工程地质条件有不同的处理方案,但理论研究常常滞后于工程实际,关于柔性桩和刚性桩相结合的复合软土地基处理方式的相关研究较少。文章采用Midas GTS NX软件对长短桩加固的软土地基变形规律进行研究,结合某高速公路工程实际进行建模分析,以期为工程实践提供参考依据。

1 工程概况

某高速公路路基段路线总长18.68km,其中桩号范围K12+330.26～ K12+425.31段位于软土地基上。该区段地势西部较高,东部较低,平均海拔为1560m,高差达到154.2m,植被发育良好,灌木丛生。该地区属于亚热带季风气候,降雨量较大,年平均湿度在80%以上。文章选取的最不利路段为K12+380断面处,如图1所示。

图1 K12+380横断面(单位:m)

根据地勘资料显示,该地区的地震烈度为Ⅵ度,上覆第四系残坡积层亚粘土、软黏土,下伏二叠系灰岩。该段路堤高度6m,下部存在软土,厚度约7m,对路堤的稳定性不利,不可直接使用。该处的地层自上而下为四层,分别为淤泥质土、软黏土、碎石土和灰岩,其中淤泥质土的厚度为3m,软黏土层厚度为4m,碎石土层厚度为5m,最底层为较坚硬的灰岩。针对项目地质情况,采用长短桩加固地基的方法处理。路堤宽度为24m,高度为6m,坡率均为1∶1.5,见图1。长桩采用CFG桩,短桩采用水泥搅拌桩。短桩作用于软土层,为长7m的圆形桩,桩径0.5m;长桩穿过软土层,达到持力层,桩长15m,桩径0.5m,长短桩间距为2m,为加强桩和桩间土的共同作用,桩顶铺设0.4m厚的级配碎石褥垫层。

2 数值模拟计算分析

2.1 模型的建立

Midas GTS NX软件涵盖了岩土工程中常见的本构模型,如摩尔—库伦、邓肯—张、修正剑桥—黏土模型等,具有良好的工程适应性,因此文章采用Midas GTS NX软件、2D平面模型进行模拟计算。在模型建立时,为减小边界尺寸对模型运算的影响,应将模型的尺寸尽量增大,但模型尺寸过大又不利于模型的计算,根据填方高度等参数确定模型尺寸为72m×26m,具体如图1所示。土层均采用平面应变单元,选用摩尔—库伦本构模型;长短桩均采用梁单元属性、弹性本构模型,其余模型参数参照图1。划分网格单元时,将路堤划分为6层,每层厚度为1m,以便模拟施工填筑。网格密度均为1m。有限元模型如图2所示,模型参数见表1。

表1 模型参数表

图2 有限元模型

Midas GTS NX有限元软件采用激活和钝化单元模拟结构的实施,采用施工阶段管理模块对模型进行施工阶段模拟。模型建立完成后,首先施加重力和边界条件,恢复原有的自重应力状态,此时应将位移清零,再实施加固结构及长短桩和褥垫层单元激活,进而分层(每层1m)填筑路基,分步激活每层路基单元,最后再进行模型数据提取和分析。

2.2 计算结果分析

2.2.1地基表面变形分析

(1)地基在填筑过程中的沉降分析

在施工阶段的模拟中,路堤按照每次每层1m的进度向上填筑,每层填筑后对地表变形情况进行提取,如图3所示。图中,填1～填6表示自下而上的填筑。水平间距每间隔1m进行数据采集。

图3 路基填筑过程沉降变化规律

由图3可知,路堤在填筑过程中,地基表面的沉降逐渐增大,每层填土后地基表面的最大沉降值约增大0.9cm,最大值为5.6cm。地基表面的沉降呈现出随路堤填筑高度增大而逐渐向中线聚拢的增大趋势。如填1和填6,填1施工后沉降曲线在路堤底部较为平缓均匀,而填6施工后路堤底部的沉降在路堤中线处较为突出,并且在路堤填筑过程中,路堤底面的地表沉降由均匀变化向锯齿状变化逐渐过渡。这是因为路堤呈梯形分布,导致填筑过程中地基表面的沉降中部增大明显,同时锯齿状的地表沉降也体现出长短桩作用于地基土层上时,土层和桩体之间的不均匀沉降。

通过结果分析,在锯齿状分布的曲线上起伏最大的点往往是长桩与地基表面的连接点,锯齿状起伏较小的点是短桩与地基表面的连接点,这也说明长桩、短桩与土体的共同作用中,土体的变形最大,其次是短桩部分,最后是长桩端的变形。同时,也说明了长短桩与土体之间的协同作用,短桩和土体直接共同作用,变形量较大,对土体的挤密作用较长桩好。长桩的作用更多是将上层土体的荷载传递到下层持力层,长桩端部也更容易产生集中应力。此外,从沉降的位置变化情况来看,模型中路堤填筑的影响范围在路堤坡脚外3.5m,并且在路堤整个变形过程中,该影响范围并没有随之扩大。

(2)地基在填筑过程中的水平位移分析

为了了解地基表面水平位移变化情况,每隔1m对地基表面进行水平数据采集,如图4所示。

图4 路基填筑过程水平位移变化规律

图4所示的水平位移正值表示向右侧移动,反之向左。从图中可知,水平位移值随填筑高度的变化逐渐增大。每层土填筑后,水平位移的最大值出现在路堤的坡脚位置,并随路堤填筑高度的变化逐渐变大,最大值为1.46cm,最大值出现的位置随填筑高度增大,有从坡脚向路堤中线靠近的趋势。

2.2.2不同工况下路基表面沉降的影响分析

为明确地基表面变形受不同加固形式的影响情况,现有其他条件不变的情况下,对全长桩加固、全短桩加固、长短桩混合加固下的三种工况进行路基表面变形分析。对不同工况下地基表面的最终沉降变化进行分析,结果如图5所示。

图5 不同工况下地表沉降对比分析

由图5可见,三种工况下,地基表面变形曲线规律相同,呈中间大、两端小的变化趋势。其中仅短桩加固下的沉降最大,最大值达到9.3cm;全长桩加固下的沉降最小,最大值为4cm;长短桩混合加固下的最大值为5.6cm。可见仅短桩加固虽能在一定程度上挤密地基土,提高地基的承载能力,但无法将地基中的应力有效传递到更深层,在路堤荷载作用下发挥加固作用有限。全长桩加固作用效果虽然最好,但仅比长短桩混合的加固沉降最值减少1.6cm,提升效果有限,增加工程造价,不利于工程经济性。结果说明了长短桩在地基加固中的优势,长桩与短桩可做互补。

2.2.3不同工况下有效应力云图分析

不同工况下模型的有效应力云图见图6、图7。

图6 仅短桩加固后模型有效应力云图

图7 长短桩加固后模型有效应力云图

图6、图7中,明显可见仅短桩工况下的软土地层应力较大,特别体现在路堤底部的软土部分,应力较大呈上凸状,而在长短桩共同作用下,不仅路堤底部软土地层的应力减小,应力的上凸趋势变缓,同时软土地基的应力过渡更加平顺,但长桩底部的应力比仅短桩加固工况下的应力更大,从而验证了长桩在长短桩加固地基方法中的承载作用。

3 结论

文章采用有限元模拟软件对长短桩加固地基的公路路堤变形进行研究,得到以下结论:

(1)长短桩加固地基的作用下,地表沉降最大处在路堤中部,地基表面的沉降随填筑高度增大而增大,且地表沉降随填筑高度的增大呈锯齿状变化越明显,最大值为5.6cm,路堤填筑对地表沉降的影响范围为路堤坡脚向外3.5m。

(2)地表在路堤填筑过程中的水平位移呈对称分布,随填筑高度增大而逐渐增大。路堤填筑过程中,最大值出现的位置从坡脚不断向路基中心移动。

(3)三种工况下,全短桩加固的地表沉降最大值为9.3cm,全长桩加固沉降最大值为4cm,长短桩混合加固沉降最大值为5.6cm,长短桩加固方法能够在保证加固效果的同时降低工程造价。

(4)相对于全短桩加固方法,长短桩加固有利于降低路堤底部软土地层的应力,将上部荷载传递至持力层。