水泥搅拌桩处理软土路基变形影响因素分析

水泥搅拌桩处理软土路基变形影响因素分析

贺治满

中交水利水电建设有限公司 浙江宁波 315200

摘要：为研究水泥搅拌桩处理软土路基的路堤变形影响因素，通过运用有限元软件建立软土路基数值模型，并针对不同地基不均匀程度、路堤高度、桩长及桩位间距对路堤位移及应力的影响规律进行对比分析，得出以下主要结论：地基不均匀程度为工况②时，路堤的变形量和应力值最为合理；路堤高度＜２０ｍ时，路堤位移和应力增大幅度较小，路堤高度＞２０ｍ时，位移和应力增长幅度较大；适宜增加水泥搅拌桩长度可以有效减小路堤变形和轻微降低路堤的应力变形量；增加水泥搅拌桩桩位间距会增大路堤位移变形量和水平应力变形量。研究结果可为水泥搅拌桩处理相关软土地基提供借鉴。

关键词：水泥搅拌桩；软土地基；地基不均匀程度；路堤高

引言

中国地域辽阔，地势地质复杂，特殊的岩石和土壤分布广泛。代表性实例包括湿陷性黄土，冻土，盐渍土，风沙和软土。其中，软土分布最分散，来自东南沿海，内陆河流和湖泊，山谷，草原盆地，甚至西部高原和东北平原。由于软土的特殊工程性质，在道路建设和运营过程中很容易产生不利影响。不同地区的软土具有不同的工程地质特征，处理方法也不同。目前，中国的软土处理技术相对成熟，处理方法也相对多样。水泥搅拌桩是软土处理技术中的一种重要方法，其成桩质量和处理效果与软土类型，有机质含量，含水量，水泥类型，水泥用量，施工工艺等诸多因素有关。

1工程概况

某市政道路位于北温带大陆季风性气候地区，冬季长春秋季短，平均气温在４.３℃左右，降雨充沛。该路段全长158.6ｋｍ，填土方量共计6687415ｍ３，路基宽度为２４ｍ，车道设计为双向四车道，行车速度为100ｋｍ／ｈ，最大纵坡为３％。主线共跨越三大河流，修建大中小桥梁126座，穿越涵洞252道。路堤填土上层采用红褐色中等密实的风化砂，下层采用中等压缩性的粘性土，地基土的组成主要包括：上部具有可塑性、中等压缩性的黄褐色粉质粘土，中部中等密实度的灰褐色中砂及下部下覆基岩。软土路基处理方式采用铺装水泥搅拌桩形式，水泥搅拌桩长度为１２ｍ，直径为５５ｃｍ，放置间距为２ｍ，采用梅花形布置，其横截面结构示意如图１所示。

图１水泥搅拌桩处理地基横截面示意图

2模型建立

通过运用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立水泥搅拌桩处理软土地基数值模型，模型中路堤顶部宽度为２４ｍ，底部宽度为４０ｍ，高度为１５ｍ，边坡坡度为１∶１．５，地基宽度为４４ｍ，水泥搅拌桩处理至路堤边坡坡角２ｍ外，计算时水泥搅拌桩长度按１２０ｍ考虑，模型中共包含２３８个单元和３４５个节点，其有限元模型如图２所示。计算模型中路基填土、地基土、粉质粘土层、中砂层及下覆基岩的本构模型全部采用摩尔－库仑理想弹塑性模型，由于水泥搅拌桩的材料刚度要比土体材料的刚度大，所以桩体本构模型采用线弹性本构模型。计算过程中需对模型进行以下假定：水泥搅拌桩处理的区域土体及材料均采用摩尔－库仑理想弹塑性模型计算，桩体单元按照线弹性模型计算；假定模型初始位移为零，同时不考虑初始应力和施工过程的作用；忽略桩体与土体之间摩擦力的作用。模型中边界条件的选择：对地基左右两侧进行水平向约束；对地基底部进行水平向和竖直向约束；模型上部为自由界面。模型中土体材料参数见表１。

图２　水泥搅拌桩处理地基有限元模型

3结果与分析

软土地基的不均匀程度会对路堤变形造成一定影响，运用有限元软件模拟①～④４种地基不均匀程度，并通过计算模型针对路堤位移和应力的变化规律进行对比分析，得出路堤最大位移及应力随地基不均匀程度的变化曲线，如图３所示。根据图３（ａ）可知，随着软土地基不均匀程度由①至④变化，路堤最大水平位移呈现先减后增的趋势。地基不均匀程度为②时，路堤最大水平位移值最小，约为１５ｍｍ，当地基不均匀程度超过②时，路堤最大水平位移越来越大，说明随着地基不均匀程度的增大，路堤的最大水平位移会逐渐增大。随着软土地基不均匀程度的增大，路堤的最大竖向位移呈逐渐减小趋势，且变化幅度较大，其中地基不均匀程度由①变化至②时，路堤最大竖向位移减小幅度最大，然后减小幅度随之逐渐变小，说明增大地基不均匀程度有利于减小路堤最大竖直位移。图３（ｂ）为路堤最大应力值随地基不均匀程度变化图，随着软土地基不均匀程度的增大，路堤最大水平和竖向应力均呈逐渐增大趋势，其中路堤最大竖向应力值要远大于水平向应力值。综上所述，并结合路堤位移随地基不均匀程度的变化规律，当地基不均匀程度为工况②时，路堤的变形量和应力值最为合理。

图３　路堤最大位移及最大应力随地基不均匀程度的变化曲线

4水泥搅拌桩处理技术

4.1试桩施工及质量检验

试桩施工的主要目的是要使桩位、桩径以及垂直度等指标符合相关的要求。为此，应按照计划的施工流程进行试桩。在施工过程中，一共取６根桩，芯样为１８段。取芯结果表明：桩体整体密实均匀，具有良好的成桩效果，只有局部存在问题。问题存在的原因有很多，其中主要原因是，局部钻杆转动速度不够快，泥浆的传输不连贯，导致其与土体的结合存在问题。因此，要及时关注钻杆转速，严格控制泥浆泵的输送速度。

4.2施工材料

施工时需采用符合规范的材料，不得随意更改，也不得随意替换。施工不仅需要考虑材料的种类，还应考虑材料的具体要求。在选取水泥的过程中，要注意选择出厂时间不足３周的水泥，确保水泥没有过期，也不存在任何影响施工的质量问题。在选择拌和水的过程中，也应对其进行检验，避免影响水泥的正常硬化。应注意对材料生产厂家的资历进行审查，确保符合要求后方可允许进场。进场的材料不仅需要提供产品质量合格证明，还应按要求进行取样和检验，测试符合要求后方可进入。对于不合格的材料，要及时淘汰，不得在施工过程中随意使用。

结语

（１）随着地基不均匀程度增大，路堤水平位移先减小后增大，竖直位移不断减小。路堤最大应力随地基不均匀程度的增大呈现缓慢增大趋势，当地基不均匀程度为工况②时，路堤的变形量和应力值最为合理。（２）随着路堤填筑高度的增大，路堤的最大位移和最大应力均呈不断增大趋势。当路堤高度＜２０ｍ时，路堤位移和应力增大幅度较小，路堤高度＞２０ｍ时，位移和应力增长幅度较大，因此实际工程中建议路堤高度＜２０ｍ。（３）增加水泥搅拌桩长度可以有效减小路堤变形和轻微的降低路堤的应力变形，但施工难度和成本也会随之增加，因此实际工程中需结合地基土质情况选择适宜的水泥搅拌桩长度。

参考文献

[1]高志明，李娜．多级边坡公路施工中软土路基高强度防沉陷处理［Ｊ］．科技通报，２０１７，３３（８）：２１５－２１８，２５４．

[2]杜存贵．城市道路软土地基施工及处理方法关键探索［J］．智能城市，2019(11):97．