粉喷桩加固高速公路软土地基的应用效果分析

陈俊彦

(山西省交通规划勘察设计院有限公司， 山西 太原 030032)

软土地基的承载力弱、渗透性差、压缩性大，需采取加固措施才能使其承载力达到公路设计要求。为此，国内外学者对加固软土地基的方法展开了大量研究。洪景春分析了采用粉喷桩处理埋置厚度大于3 m的软土地基的加固机理、施工流程及施工效果。谢腾骁采用粉喷桩处理公路软土路基，并对其加固效果进行了数值分析。杜毅研究了不同碎石桩埋深、碎石桩间距、地基弹性模量及路堤填方高度对路堤变形的影响，分析了路堤位移和应力变化规律。袁玉卿等采用碎石桩复合地基处治方法减小粉砂土拼接路基的沉降，并通过数值模拟分析了碎石桩长度及模量、桩间土模量及黏聚力对沉降的影响。软土地基加固方法多样，针对不同地质条件应选择最有效的加固方法。该文依托某高速公路软土路段，通过数值分析研究粉喷桩加固软土地基的土体应力和变形规律及加固效果，为粉喷桩应用于类似地质条件软土地基加固提供借鉴。

1 工程概况

某高速公路全长102.4 km，路面宽19.5 m，双向四车道。路堤填筑高度6 m，分6层填筑，每次填筑高度1 m。共有21处软土路段，最长2.1 km，最短160 m，共约7.8 km。软土路段的地表浅部软土层基本呈不规则条带状分布，以粉质黏土层为主，含少量粉土层及软弱土层。土层参数见表1。

表1 软土路段的土层参数

由于软土路段的承载能力较低，为保障路基的安全，采用粉喷桩+碎石垫层进行加固。粉喷桩长8 m，桩径0.5 m，桩间距1.5 m，呈梅花形布置，桩身强度≥750 kPa。路堤底部增设碎石垫层，厚度0.5 m。软土层分布及桩体布置见图1。

图1 软土层分布及桩体布置示意图(单位：m)

2 建立有限元模型

以软土路段某截面的土层分布和加固设计参数为依据，运用有限元软件ANSYS建立数值模型。模型尺寸为长42 m×宽10 m×高14 m，共包含4 176个单元、6 324个节点(见图2)。模型中粉喷桩采用线弹性模型模拟，弹性模量为55 MPa，黏聚力为4.7 kPa，内摩擦角为35°，泊松比为0.20。路基采用Drucker-Prager本构模型模拟。

图2 有限元模型网格划分

分析过程遵循以下假定条件：不考虑活载作用，仅考虑土体自重的影响；粉喷桩、碎石垫层材料均视为同性均质材料，土体视为理想弹塑性体；地基、桩体、路基及土体间的接触面均视为完全连续。

约束条件：模型左右两侧设置为自由界面，对前后两侧进行水平位移约束，地基底部施加水平和竖向位移约束。

3 路堤填筑过程中应力及变形分析

运用有限元数值模型，对路堤填筑过程中地基桩土体应力、地表沉降及桩体变形变化进行分析。

3.1 桩土体应力

分别计算路堤填筑高度为2、4及6 m时地基竖向应力，不同路堤填筑高度下地基竖向应力分布见图3。

图3 不同路堤填筑高度下地基竖向应力分布(单位：Pa)

由图3可知：在不同路堤填筑高度下，土体竖向应力分布大致呈斜条状，应力大小沿地基表面向地基底部逐渐增大，且斜度随着填筑高度的增大而增大。桩体竖向应力远大于桩间土体应力，其中路基底部中心线位置的桩土体竖向应力最大，靠近路基两侧的桩土体竖向应力较小，且随着路堤填筑高度的增大，越靠近路基中心线的桩土体竖向应力增幅越大。填筑高度达到6 m时，地基中心桩体和桩间土体承受的竖向应力均达到最大值，分别为275和125 kPa。

3.2 地基表面沉降

分别计算路堤填筑高度为2、4及6 m时地基沉降，不同路堤填筑高度下地基沉降见图4。

图4 不同路堤填筑高度下地基沉降

由图4可知：随着路堤填筑高度的增大，地基表面沉降呈较大增大趋势，且越靠近路基底部中心线桩土体沉降越大。填筑高度为2 m时，路基内侧地基最大沉降出现在28 m处，约为34.4 mm；外侧地基出现较小沉降。填筑高度为4 m时，路基内侧地基最大沉降出现在24 m处，约为48.7 mm；外侧地基出现较小程度隆起，最大幅度为2.1 mm。填筑高度达到6 m时，路基内侧地基最大沉降出现在21 m处，约为66.7 mm；外侧地基隆起幅度增大，最大达4.4 mm。表明随着路堤填筑高度的增大，地基表面最大沉降最终出现在路基底部中心线，路基外侧地基后出现一定程度隆起。

3.3 桩体位移分析

计算路堤填筑完成后桩体位移，不同位置桩体位移变化见图5。

由图5可知：路堤填筑完成后，不同位置加固桩的水平位移变化不同，靠近路堤底部中心位置桩体主要承受竖向压力，桩体发生较大竖向位移，但水平位移较小，且越靠近路基中心桩体水平变形越小；靠近路基外侧桩体主要承受侧向压力，桩体出现较大水平位移，主要表现为弯曲变形，且越靠近路基两侧桩体水平位移越大，但竖向位移相对中心桩体小很多。表明不同位置加固桩具有不同的加固作用，合理设置桩体布置形式有利于地基加固。

图5 路堤填筑完成后桩体水平位移化

4 粉喷桩加固效果分析

为研究粉喷桩加固高速公路软土地基的效果，分别针对有无桩体加固的地基沉降和土体水平位移变化进行对比分析。

4.1 地基沉降对比分析

分别计算路堤填筑高度为2、4及6 m，有无加固桩时地基表面沉降，结果见图6。

图6 不同填筑高度下有无加固桩时地基表面沉降

由图6可知：在路堤填筑过程中，无粉喷桩加固的地基沉降始终大于有桩加固地基，且随着路堤填筑高度的增大，无桩加固的地基沉降增长趋势较大，主要表现为路基内侧地基下沉幅度较大，路基外侧地基出现隆起。采用粉喷桩加固后，随着路堤填筑高度的增大，路基外侧地基隆起现象有所收敛，填筑高度为2、4及6 m时路基内侧地基最大沉降分别减小11.3%、16.4%和22.7%，路堤填筑完成后地基沉降得到较大程度减小，表明采用粉喷桩加固可有效降低软土地基的沉降。

4.2 土体水平位移对比分析

分别计算路堤填筑完成后有无加固桩时土体水平变形，结果见图7。

图7 有无桩加固时土体水平位移

由图7可知：在路堤填筑过程中，无粉喷桩加固土体水平位移大于有桩加固土体，且越靠近路基底部两侧土体水平位移差异越大，而靠近路基底部中心位置土体水平位移差异不大。原因是中心桩体和土体主要受到竖向应力作用，其产生的水平变形较小。采用粉喷桩加固后，中心桩体9#的水平位移减小约8.1%，减小幅度较小，而路基底部两侧桩体1#和5#的水平位移分别减小约18.2%、12.7%，减小幅度较大。表明采用粉喷桩加固对于减小路基底部两侧土体水平位移效果更明显。

5 结论

(1) 土体竖向应力分布大致呈斜条状，应力大小沿地基表面向地基底部逐渐增大，且斜度随着路堤填筑高度的增大而增大。

(2) 随着路堤填筑高度的增大，地基表面最大沉降最终出现在路基底部中心线，路基外侧地基后出现一定程度隆起。

(3) 路堤填筑完成后，靠近路堤底部中心位置的桩体主要承受竖向压力，越靠近路基中心桩体水平变形越小；靠近路基外侧的桩体主要承受侧向压力，越靠近路基两侧桩体水平位移越大。

(4) 采用粉喷桩加固后，路基外侧地基隆起现象有所收敛，路基内侧地基沉降最大减小22.7%，有效降低了软土地基沉降变形。

(5) 粉喷桩加固对于减小路基底部两侧土体水平变形的效果显著，对于减小路基底部中心桩体水平变形的效果较弱。