碎石桩复合地基处理加固软土路基效果分析

赵 鹏 谭 威 冯 超

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830006)

城市道路建设过程中经常遇到软土等特殊情况，需要采用路基加固的手段进行处理。碎石桩作为一种简单、经济的软土路基加固方法之一， 在工程中得到了广泛的应用。所谓碎石桩，是以碎石为主要材料制成的复合地基加固桩，近年来，国内有关学者进行了相关研究，主要有：刘望坤、王健等[1-2]结合城市道路软土地基设计、施工和检测实例， 分析了碎石桩复合地基承载力和单桩极限承载力的关系， 总结出了检测碎石桩单桩极限承载力的静载试验方法， 并通过对碎石桩单桩极限承载力进行的单桩静载试验数据分析验证了采用碎石桩复合地基加固地基的处理方法是可行的；赵翠英、刘锋等[3-4]介绍了碎石桩复合地基在二维数值分析中平面应变和轴对称单元的等效转换，通过一个算例对比了两者的计算结果，结果显示两种方法均可反映碎石桩复合地基的沉降及桩间土的固结情况， 这为预测碎石桩复合地基的加固效果和修正设计参数提供了参考；周振海、万忠伦等[5-6]结合实际工程介绍了碎石桩与CFG 桩组合处理软土地基的施工技术和质量要求，并将CFG 桩、碎石桩的静载荷试验检测结果与理论计算结果相比较， 结果表明加固后的复合地基承载力和沉降量满足工程设计的要求， 该方法对淤泥软土地基的处理具有实际价值和广阔的市场前景；张鹏、孙平等[7-8]以福州至平潭高铁松下车站为依托，采用弹塑性有限元法， 在模拟列车移动荷载的基础上对软土路基在采用CFG 桩加固前后的动力响应进行分析，研究了竖向速度、加速度及压应力的一般规律。本文主要以某城市道路工程为例， 采用有限元软件ABAQUS 建立数值模型， 重点分析了采用碎石桩加固和未采用加固措施前后地基的竖向沉降、水平位移和竖向应力变化规律，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

某软土地区道路工程路基拟采用碎石桩复合地基加固方法。路基宽度设计值为28.0 m，高度为3.5 m，坡率按照1∶1.5 设计，施工时采用分层铺填碾压的方法。 碎石桩长为10 m，桩径为0.8 m，桩间距为3.0 m，为了分析碎石桩复合地基的处理效果，本文采用数值模拟的方法。土体从上至下包括4 部分，依次为路堤填土、砂砾垫层、加固区和持力层，其中一排碎石桩的数量为13 根，图1 为路堤结构示意图。

图1 路堤结构示意图

2 数值建模

图2 为采用大型有限元软件ABAQUS 软件建立的数值模型图。 由于对称性，仅选取右半侧进行建模分析，路基的顶部宽度取值为14.0 m，高度为3.5 m，坡率为1∶1.5，施工时采用分层铺填碾压的方法。路堤坡底半幅宽度为19 m，模型整体宽度为40 m，模型长度取10 m，模型整体高度为23.5 m，砂砾垫层厚度为0.3 m，材质为中密砂，中间夹铺土工格栅，厚度为2 mm。 碎石桩总长为10.0 m，采用结构单元进行模拟，桩间距为3.0 m，桩径为0.8 m。 建模时，碎石桩的轴向刚度取3.2×106kN/m，抗弯刚度取7.0×104kN/m，等效厚度取0.50 m，重度取25 kN/m3，泊松比取0.2，弹性模量取100 MPa。 如图2(a)所示，除上边界外，其他边界均进行位移约束，模型均采用摩尔-库伦本构模型，表1 给出了各种材料的物理力学参数，路堤填土和砂砾垫层排水类型均为排水，其他为不排水。荷载形式为车辆荷载， 主要通过加载在路面单元节点上的集中力进行实现，本文模拟的车辆速度为60 km/h，荷载在每个单元作用时间取0.015 s，具体参见文献[9]。

图2 数值模型图

表1 土体的物理力学参数

3 数值结果分析

本文主要对未采取处理措施和采取处理措施后的地基沉降、水平位移和竖向应力进行分析。

3.1 竖向沉降数值分析

路基沉降是反映路基安全状态的最重要的指标之一。 图3 为未采取处理措施和采取碎石桩加固处理措施后的路基沉降云图， 规定向上方向为正方向。 由图3 可知，路基表面正中心沉降最大，往两侧沉降逐渐减小。 对于未采取加固措施时，路基最大沉降值为12.83 mm；采取碎石桩加固处理措施后，路基最大沉降值为10.12 mm。相比于采取加固措施之前， 采取碎石桩加固后路基最大沉降减小了21.1%。

图3 路堤沉降云图

为了更加详尽地分析采取处理措施前后的沉降，如图4 所示，在地基(即路堤坡底水平面)位置设置9 个沉降监测点。 由图4 可知，在地基中心沉降量最大，未采取措施时最大沉降值为11.31 mm，采取碎石桩加固后最大沉降值为8.42 mm。 采取碎石桩加固之后相比于未采取措施时地基沉降减小了25.7%。

图4 采取处理措施前后地基沉降对比曲线

综上可知， 碎石桩复合地基加固措施对于减小地基沉降效果显著，采取碎石桩加固之后，上部荷载首先通过砂砾垫层均匀地下传到复合地基上，由于碎石桩的存在，其自身刚度远大于桩间土，因此在上部荷载的作用下，大部分的荷载将由碎石桩承担。

3.2 水平位移数值分析

路基水平位移是反映路基安全状态的又一重要指标。 图5 示出了未采取处理措施和采取碎石桩加固处理措施后的路基水平位移云图，规定以向右方向为正方向。由图5 可知， 最大沉降发生在距离坡脚较近的地基下侧， 对于未采取加固措施时， 路基最大水平位移值为2.11 mm；采取碎石桩加固处理措施后，路基最大水平位移值为1.33 mm。 相比于采取加固措施之前，采取碎石桩加固后路基最大水平位移减小了38.1%。

图5 路堤水平位移云图

为了更加详尽地分析采取处理措施前后的地基水平位移，如图6 所示，在地基平面上设置9 个监测点。 由图6 可知，未采取措施时最大水平位移值为1.32 mm，采取碎石桩加固后最大水平位移值为1.01 mm， 最大位移值发生在距离地基边界6 m 附近。 采取碎石桩加固之后相比于未采取措施时地基水平位移减小了22.7%。

综上可知，施作碎石桩复合地基加固措施之后，会对地基产生一定的水平约束作用， 有效地减小了地基水平位移，这对于路基安全是非常有利的。

3.3 竖向应力数值分析

图6 采取处理措施前后地基水平位移对比曲线

应力可以反映路基的受力状态， 能够侧面说明路基的安全状态。 图7 示出了未采取处理措施和采取碎石桩加固处理措施后的路基竖向应力云图。由图7 可知，对于未采取加固措施时， 路基最大竖向应力值为10.1 kPa；采取碎石桩加固处理措施后， 路基最大竖向应力值为30.9 kPa。 相比于采取加固措施之前，采取碎石桩加固后路基最大竖向应力值增大了2.1 倍， 这与碎石桩增大了土体的抗压能力有关。此外，对比图7(a)和图7(b)可知，采取碎石桩加固措施之后， 碎石桩顶的竖向应力值远大于附近土体的竖向应力， 也说明碎石桩能够很好地起到加固作用。

图7 路堤竖向应力云图

图8 为采取处理措施前后地基竖向应力对比曲线，由图8 可知，未采取措施时，地基中心处竖向应力最大，往两侧逐渐减小，而采取碎石桩加固后，地基最大应力发生变化，呈现出上下波动变化，主要在碎石桩部位竖向应力变大，在桩间土部位竖向应力减小。这说明由于碎石桩的存在，因此在上部荷载的作用下，碎石桩承担大部分的荷载，起到较好的加固作用。

图8 采取处理措施前后地基竖向应力对比曲线

4 结论

本文主要以某城市道路工程为例， 采用有限元软件ABAQUS 建立数值模型， 重点分析了采用碎石桩加固和未采用加固措施前后地基的竖向沉降、 水平位移和竖向应力变化规律，得到以下结论：

(1)路基表面正中心沉降最大，往两侧沉降逐渐减小，相比于采取加固措施之前， 采取碎石桩加固后路基最大沉降减小了21.1%，地基最大沉降减小了25.7%。

(2)施作碎石桩复合地基加固措施会对地基产生一定的水平约束作用， 使得采取碎石桩加固之后相比于未采取措施时地基水平位移减小了22.7%， 路基最大水平位移减小了38.1%。

(3)采取碎石桩加固措施之后，碎石桩顶的竖向应力值远大于附近土体的竖向应力， 相比于采取加固措施之前，采取碎石桩加固后路基最大竖向应力值增大了2.1 倍。

(4)碎石桩的存在，致使其自身刚度远大于桩间土，因此在上部荷载的作用下，大部分的荷载将由碎石桩承担，说明碎石桩能够很好地起到加固作用。