高速公路软土路基加固处理技术研究

摘 要：为研究水泥搅拌桩复合地基对高速公路软土路基的加固效果，本文基于某高速公路软土路基地基处理实际工程，利用有限元软件进行数值计算，分析水泥搅拌桩桩间距和桩长对路基加固效果的影响，结果表明，通过土工格栅和水泥搅拌桩对软土地基进行处理能有效地减少路基的沉降量和水平位移。水泥搅拌桩桩身模量增加、桩间距缩短、桩长增加会使路基沉降值逐渐减少，沉降值的变化量在路基中心线处较大，在路基边坡位置较小。

关键词：水泥搅拌桩；软土路基；加固效果；数值计算

中图分类号：U 416 " 文献标志码：A

我国国土面积辽阔，存在各类复杂的地理环境和工程地质条件，随着高速公路网的覆盖面积越来越大，在公路建设过程中常会遇到各类挑战，包括软土沉降问题[1]。我国东部地区软土地层分布广泛，具有一系列不良工程性质，常会导致地基服役期间发生沉降过大等变形问题，影响工程安全性[2]。目前针对软土地基处理的方法包括换填垫层法、强夯法和复合地基法等[3]。张秀勇等[4]和邵韦弦[5]依托实际工程，利用数值模拟方法研究了碎石桩复合地基对软土地基的加固效果。本文为研究水泥搅拌桩复合地基对高速公路软土路基的加固效果，以某高速公路软土路基地基处理实际工程为例，采用有限元软件进行数值计算，分析水泥搅拌桩桩身模量、桩间距和桩长对路基加固效果的影响。

1 数值模型建立

本文依托某高速公路软土地基处理实际工程，利用有限元软件建立模型并进行计算，该工程采用土工格栅和水泥搅拌桩复合地基对软土地基进行加固。为简化计算模型，将不同地层分界线视为水平面，同时为减弱边界效应对计算结果的影响，要扩大模型的计算范围。计算模型的尺寸：100m×24m×20m（长×宽×高）。水泥搅拌桩的桩长为8.0m，桩直径为0.5m，桩身弹性模量为120.0MPa，泊松比为0.2，桩间距为1.4m。模型单元数为9343个，节点数为9690个，数值模型如图1所示。

路面材料的本构模型采用线弹性模型，路堤填土和软土地基的本构模型采用摩尔-库伦模型。模型的边界条件：模型顶面为自由边界，模型侧面施加垂直于侧面的约束，限制其法向位移，模型底面施加水平和竖直方向的约束，限制其水平和竖直方向位移，初始地应力场仅为重力场。路面材料参数见表1，路堤填土和软土地基的岩土体物理力学参数取值见表2。

模拟路基填筑施工过程，首先，需要对路基部分的单元进行空模型处理，其次，进行初始地应力平衡计算，最后，逐一激活每层填土的命令，对路基分层填筑进行数值模拟，每次填土高度为0.5m。

2 数值模拟结果

为研究水泥搅拌桩复合地基对软土地基的加固效果，分别建立未作处理的软土地基模型，对采用水泥搅拌桩加固的地基模型进行计算，得到路基的沉降及水平位移。

2.1 路基沉降分析

根据数值计算结果，得到未作处理的软土地基和通过水泥搅拌桩进行加固的复合地基的路基顶部的沉降结果，如图2所示

路基中心位置的竖向沉降量明显大于路肩处的沉降量，与路基中心的距离增加，沉降量减少。未作处理的软土地基在路基顶部的中心位置的沉降值为23.65cm，通过土工格栅和水泥搅拌桩进行加固的复合地基在路基顶部的中心位置的沉降值为4.17cm，减少82.4%，可知水泥搅拌桩复合地基对软土地基进行加固处理能有效减少路基的沉降量。

2.2 路基水平位移分析

根据数值计算结果，得到未作处理的软土地基和通过水泥搅拌桩进行加固的复合地基在路堤底部的水平位移结果，如图3所示。

由图3可知，随着与路基中心的距离增加，路堤底部的水平位移也逐渐增加。未作处理的软土地基在路堤底部边缘位置的水平位移值为6.01cm，通过土工格栅和水泥搅拌桩进行加固的复合地基在路堤底部边缘位置的水平位移值为1.68 cm，减少72%，表明水泥搅拌桩复合地基对软土地基进行处理能有效减少路基的水平位移。

综上所述，水泥搅拌桩复合地基能有效抑制软土路基变形，提高地基的长期服役性能，分析其原因：水泥搅拌桩增加了土体的密实度和抗剪强度，同时水泥搅拌桩的嵌入深度达到软土层，形成了垂直的土体支撑结构，有效减少了软土的沉降和侧向变形，另外，水泥的固化作用使水泥搅拌桩复合地基优于其他形式复合地基，水泥固化形成了坚固的土-水泥桩体，使软土地基得到了有效加固和支撑，同时，水泥的固化过程还可以提高土体的抗水性和抗渗性，减少软土地基受水分影响的程度。

3 水泥搅拌桩复合地基沉降因素分析

为研究水泥搅拌桩复合地基的沉降特性及影响因素，本节通过设计不同的计算工况，分别研究桩身模量、桩间距和桩长对水泥搅拌桩复合地基加固效果的影响。

3.1 桩身模量对复合地基的影响

为研究桩身模量对水泥搅拌桩复合地基加固效果的影响，将桩身模量分别设置为80.0MPa、120.0MPa、160.0MPa、200.0MPa这4种工况，得到不同桩身模量条件下的水泥搅拌桩复合地基竖向沉降，如图4所示。

随着水泥搅拌桩桩身模量增加，路基沉降值逐渐减少，沉降值的变化量在路基中心线处较大，在路基边坡位置较小。桩身模量为80.0MPa时，路基中心位置的最大沉降值为7.068cm，桩身模量为120.0MPa时，路基中心位置的最大沉降值为6.629cm，比桩身模量为80.0MPa的情况减少了6.6%。当桩身模量为160.0MPa时，路基中心位置的最大沉降值为6.401cm，比桩身模量为120.0MPa的情况减少了3.4%。当桩身模量为200.0MPa时，路基中心位置的最大沉降值为6.260cm，比桩身模量为160.0MPa的情况减少了2.2%。当增加相同的桩身模量时，随着桩身模量逐渐增加，减少路基沉降的效果逐渐减弱，当水泥搅拌桩桩身模量较大时，不应该通过增加桩身模量来提升复合地基的加固效果。

3.2 桩间距对复合地基的影响

为研究桩间距对水泥搅拌桩复合地基加固效果的影响，将桩间距分别设置为1.0m、1.4m、1.8m、2.2m，得到不同桩间距条件下的水泥搅拌桩复合地基竖向沉降，如图5所示。

随着水泥搅拌桩桩间距减少，路基沉降值逐渐减少，沉降值的变化量在路基中心线处较大，在路基边坡位置较小。当桩间距为2.2m时，路基中心位置的最大沉降值为7.087cm，当桩间距为1.8m时，路基中心位置的最大沉降值为6.826m，比桩间距为2.2m的情况减少了3.7%。桩间距为1.4m时的路基中心位置的最大沉降值为6.629cm，比桩间距为1.8m时的情况减少了2.9%。桩间距为1.0m时的路基中心位置的最大沉降值为6.466cm，比桩间距为1.4m的情况减少了2.5%。随着桩间距逐渐减少，减少桩间距对减少路基沉降的效果逐渐减弱，当水泥搅拌桩桩间距较小时，考虑节约工程成本，不应该通过减少桩间距来提升复合地基的加固效果。结合以上计算结果，在该工程中，1.4m 为较合适的桩间距。

3.3 桩长对复合地基的影响

为研究桩长对水泥搅拌桩复合地基加固效果的影响，将桩长分别设置为8m、10m、12m、14m，得到不同桩长条件下的水泥搅拌桩复合地基竖向沉降，如图6所示。

随着水泥搅拌桩桩长增加，路基沉降值逐渐减少，沉降值的变化量在路基中心线处较大，在路基边坡位置较小。桩长为8m时的路基中心位置的最大沉降值为6.629cm，桩长为10m时的路基中心位置的最大沉降值为5.746cm，比桩长为8m的情况减少了13.3%。桩长为12m时的路基中心位置的最大沉降值为4.806cm，比桩长为10m的情况减少了16.4%。桩长为14m时的路基中心位置的最大沉降值为3.840cm，比桩长为12m的情况减少了20.1%。当桩长为8m～14m时，增加相同的桩长，随着桩长逐渐增加，增加桩长对减少路基沉降的效果逐渐增强，说明增加桩长可以很好地提升复合地基的加固效果。

4 结论

通过土工格栅和水泥搅拌桩对软土地基进行处理能有效地减少路基的沉降量和水平位移。

路基沉降值随水泥搅拌桩桩身模量增加而逐渐减少，增加相同桩身模量时，随桩身模量增加，增加桩身模量对减少路基沉降的效果逐渐减弱，水泥搅拌桩桩身模量较大时，不应继续通过增加桩身模量来提升复合地基的加固效果。

路基沉降值随着水泥搅拌桩桩间距减少而逐渐减少，减少相同的桩间距时，随着桩间距逐渐减少，对减少路基沉降的效果逐渐减弱，水泥搅拌桩桩间距较小时，考虑节约工程成本，不应继续通过减少桩间距来提升复合地基的加固效果。

路基沉降值随着水泥搅拌桩桩长增加而逐渐减少，桩长为8m～14m时，随着桩长逐渐增加，增加桩长对减少路基沉降的效果逐渐增强，说明增加桩长可以很好地提升复合地基的加固效果。

参考文献

[1]崔凯，杨文恒.软土路基沉降的联合法预测研究[J].西南交通大学学报，2017，52（5）：926-934.

[2]吴楠，肖军华.软土地区地铁高架结构不均匀沉降特征与影响因素[J].交通运输工程学报，2017，17（2）：12-20.

[3]郑刚，龚晓南，谢永利，等.地基处理技术发展综述[J].土木工程学报，2012，45（2）：127-146.

[4]张秀勇，王海龙，李杰.碎石桩复合地基在大丽高速公路软土地基处理中的应用[J].河海大学学报（自然科学版），2021，49（5）：455-459.

[5]邵韦弦.碎石桩加固软土地基路堤变形与稳定性分析[J].公路，2021，66（10）：58-66.