基于Plaxis的水泥砂浆桩软基处理优化研究

卢 业 旭

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)



基于Plaxis的水泥砂浆桩软基处理优化研究

卢 业 旭

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

以天津滨海地区某道路工程为研究对象，建立有限元模型，研究不同桩间距、桩长情况下软土路基的沉降规律及变形机制，得出水泥砂浆桩选取桩间距、桩长等参数的一般化方法，对指导工程设计有一定意义。

水泥砂浆桩，数值模拟，路基沉降

0 引言

在软土地基上修建高填方路堤，路基的沉降经常会引起公路病害问题。复合地基是较为常见的地基处理方式，不仅能够较好利用增强体和天然地基两者共同承担荷载，而且较为经济合理。

本文以天津滨海某市政道路工程为实例依托，对水泥砂浆桩处治效果进行评价验证，建立了水泥砂浆桩有限元模型。并基于Plaxis有限元软件对不同桩间距、桩长下的软土路基沉降情况进行了模拟分析，提出一个适用于天津地区的合理水泥砂浆桩处理模型，以期为类似软基项目提供理论参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程所处地区为滨海冲海积平原，地形平坦，地势开阔，现状用地为大面积的鱼塘、虾池，地层土含水量较高，下卧淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土。

为解决地基稳定性、工后沉降以及地基承载力问题，该道路工程中采用了水泥砂浆桩复合地基处理方式。同时为了深入研究和验证水泥砂浆桩的地基处理效果，结合本项目设计和施工，开展研究。

1.2 特征断面概况

以桩号K1+955～K1+975段路基作为研究段，地层分布由上往下分别为：淤泥质粉质粘土、粉土、粉质粘土、粉土夹粉质粘土。砂浆桩施工时清除路堤基底以下的人工填土层，包括腐土、淤泥、草皮、树根、垃圾等；清表并铲平后进行砂浆桩施工，砂浆桩桩体直径0.5 m，桩间距1.1 m，设计桩长为13 m。

2 数值模型分析

2.1 模型建立

本文运用有限元软件Plaxis对特征工程断面进行建模。模型采用轴对称模式，考虑到填土施工影响范围，模型单侧影响宽度取60 m，路堤下地基土深度取至50 m。模型采用15节点三角形单元剖分，模型假定路基土体应力—应变之间的本构关系为弹塑性，土体的破坏服从摩尔—库仑准则。模型位移边界为固定约束，左右侧边界为水平向约束，底边界为竖向约束。渗流边界左右两侧为约束边界，下部由于粉土层透水性较好，设为自由边界。

模拟施工顺序为砂浆桩打设，铺设砂垫层、填筑填土、超载预压、结构层施工、施加行车荷载直至土体固结完成。其中填筑填土的每一层均作为模拟的一个过程步。模型网格划分后如图1所示。

本剖面设计的砂浆桩贯穿淤泥质粉质粘土，其土层参数见表1。设计水泥土砂浆桩桩长为13 m，桩身弹性模量Ep=300 MPa，泊松比μc=0.2，重度γ=20 kN/m3。

表1 土体计算参数

2.2 模型合理性验证

根据施工现场的施工顺序和工况，将表1中土体参数以及砂浆桩参数代入模型当中，对断面进行了同步施工分析。模型断面最终的垂直位移以及水平位移云图如图2所示。

在模拟过程中采用分步施工，时间间隔设置为30 d，砂浆桩施工完毕后分层铺设50 cm厚砂垫层，之后分层填筑填土。6 m高填土施工完成后进行为期一年的超载预压，预压换算土柱高度为1.86 m。预压结束后进行路面结构层施工，施工完成时的垂直位移和水平位移分别为216 mm和68 mm。通车之后加上行车静荷载，当土体完全固结后的垂直位移与水平位移分别为237 mm和68 mm。对比结构层施工完成的沉降，可得工后沉降为21 mm，符合JTG D30—2015公路路基设计规范以及JTG/T D31—02—2013公路软土地基路堤设计与施工技术细则等规范中有关工后沉降控制标准。

根据现场实测的沉降数据可得K1+965断面在路面结构层施工完成后的沉降为244 mm。由此可见，本模型具有较高的适用性，运用Plaxis对软基进行模拟是合理并且可行的。

2.3 计算结果分析

1)砂浆桩桩间距对路基沉降的影响。同一断面若桩间距不同，路基沉降变化不同。为此，桩间距分别取值1.1 m，1.2 m，1.3 m，1.5 m，1.7 m，2.0 m，2.5 m，3.0 m，分别建立有限元模型计算路基的沉降。在不同桩间距下，桩体等效模量不同，表2给出了在不同桩间距下桩体的等效弹性模量及桩土面积置换率。

在不同桩间距下，桩间土体的参数也不同，根据式(1)，式(2)，可以得到各种桩间距下土体的弹性模量和泊松比。

Esp=(1-α)Es+αEp

(1)

μsc=(1-α)μs+αμc

(2)

其中，Esp，μsc均为桩间土体复合参数；Es为土体压缩模量；μs为土体泊松比；Ep为桩身弹性模量；μc为桩身泊松比。

表2 不同桩间距桩体等效参数

由表2中所求的数据以及相关公式在平面模型中进行数值计算。通过计算不同桩间距下路基的沉降变化，计算最优桩间距。在不同桩间距下，路基最大沉降值如表3所示。

表3 13 m桩长不同桩间距下路基最大沉降

分析13 m单桩长不同桩间距下路基的最大沉降量，画出曲线图，如图3所示。

本例中路基最大沉降量呈拐折分布，分析其原因主要为：下卧层为较薄的粉质粘土层和承载力较高的粉土层，当桩间距较小时，加固区的沉降较小，而由于桩体重度略大于土体，在桩间距过密时，桩身自重较大，会引起较大的下卧层沉降。本例中1.1 m间距下，模拟所得的下卧层沉降量为212 mm，加固区沉降为25 mm，可见水泥砂浆桩对淤泥质土的加固效果很好。而随着桩间距的增大，加固区由于置换率和复合地基压缩模量的下降，桩间土的沉降开始增加，而下卧层的沉降随着上部桩数的减少，其沉降量也会减小。本例中在1.5 m间距下，下卧层沉降为194 mm，而加固区的沉降增加到了38 mm。因此桩间距不是越小越好，也不是越大就越不好，它存在一个最优的桩间距。本剖面最优桩间距为1.5 m，此桩间距下路堤最大沉降量为232 mm。

将断面桩长减至6 m，使下伏持力层变为淤泥质粉质粘土，令桩间距为1.1 m，1.3 m，1.5 m，1.7 m，2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，求得最大沉降与桩间距关系如图4所示。

由图4可知，当砂浆桩持力层为承载力较差的淤泥质粉质粘土时，总沉降有明显的增加，其规律与图3所显示的长桩类似，总沉降随着桩间距的增加而呈现先减后增的趋势，其变化幅度要更加明显。而且随着桩间距的增加，工后沉降也呈现先减后增的规律。在本组对比中的最优桩间距为1.3 m，其工后沉降为50 mm。

综上所述，当砂浆桩打穿软土地层，其持力层为承载力较好的土层时，沉降量对桩间距的增减并不敏感，1.1 m～1.5 m的间距下，沉降相差并不大，此时加固区土体的压缩量和下卧层土体的压缩量都较小，可根据工程对承载力的需求确定桩间距的大小；而砂浆桩未打穿软土地层，其持力层为性质较差的土层时，下卧层的压缩量相对要大得多，本例中加固区的淤泥质土也存在较大的压缩量，导致总沉降量要大，而且淤泥质土的渗透性较差，当存在较大的沉降时，需要更久的时间来消散超静孔隙水压力，使土壤固结。对比两种不同桩长不同间距下的路基沉降曲线，可得出本断面的最优桩间距为1.3 m～1.5 m。

2)砂浆桩桩长对路基沉降的影响。复合地基中的桩体通过桩侧摩阻力和桩端阻力把承受的荷载传递到土体中去，因为桩体的压缩模量比天然地基土的压缩模量大得多，所以在这个过程中桩体承担的荷载相对较大，桩间土承担的荷载相对较小，在一定程度上减小了桩间土的沉降量。

随着桩长的增加，桩间土和桩体的沉降量在一定程度上有所减小。但是地基的沉降量并不是随着桩长的增加无限的减小，当桩长增加到一定程度时对地基沉降量的影响不大。因此，在地基处理的设计过程中并不能只通过增加桩体的长度来达到地基沉降量减小的目的，在不合理的范围内一味的提高桩体的长度只会造成浪费。

选取K1+965断面作为模拟断面，桩间距按设计实际施工所使用的1.1 m桩间距，根据不同的地层厚度，分别使用6 m，8.5 m，12 m，13 m，16.5 m，18 m桩长计算路基沉降。各模型均按照相同施工步骤加载到土体完全固结，所得不同桩长下的水平位移、垂直位移，以及工后沉降量详见表4。

表4 不同桩长下路基位移表

由图4以及表4可知，当桩长为6 m时，砂浆桩没有打穿淤泥质粉质粘土层，路基的垂直位移为330 mm，水平位移为83 mm，此桩长下的位移量明显大于其他桩长。主要原因是下卧层淤泥质粉质粘土具有较大的压缩性，当出现较大的压缩变形之后，难以较快的将水排出，也会造成较大的工后沉降量。当桩长增加到8.5 m时，位移量有较为明显的下降，垂直位移比6 m桩长的砂浆桩减小了约70 mm，为258 mm。此时桩体打穿淤泥质土层，下卧土层变为粉土层，由于粉土层性质较好，桩体的侧移量并不明显，而是在下卧土层中的粉质粘土层中出现了较大的水平位移，大小为53 mm。随着桩长的继续增加，土体变形量在持续减小，而且工后沉降量也随着桩长的增加而减小。

将表4中数据绘制成曲线图得到的趋势更加明显，如图5所示，当打穿粉质粘土层之后，沉降随桩长变化并不明显，之后继续增加桩长并不能有效的减小路基的沉降。由图5可知，路基沉降曲线出现两个拐点，一个是桩身打穿淤泥质土层时，另一个是土层打穿粉质粘土层时，可见沉降的减小与地层性质有很大关系，砂浆桩对性质较差的土体加固效果明显。

综上所述，路基沉降与工后沉降量均随着桩长的增加而减小。在设计中应确保砂浆桩对性质较差的土体的加固效果，在性质较好的土层中过分增加桩长，对沉降的减小并不明显。本例中砂浆桩的最佳桩长为12 m～16.5 m。

3 结论与建议

1)水泥砂浆桩复合地基的变形沉降影响因素有很多，包括桩长、置换率、桩直径、桩间距、地基土性质等。

2)对比实测数据和有限元数值模拟计算值，可见运用Plaxis进行软基数值模拟的合理性和适用性，且水泥砂浆桩对土体的加固起到了非常良好的效果，有效地减少了软土路基施工、预压期沉降及工后沉降。

3)通过对K1+965断面进行有限元模拟，得出断面的最佳桩长为12 m～16.5 m，最佳桩间距为1.3 m～1.5 m，最佳桩直径为0.5 m～0.6 m。应同时兼顾地质条件及工程经济性，结合数值模拟结果选择最优的处理方式。

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The soft foundation treatment optimization research on cement slurry pile based on Plaxis

Lu Yexu

(RailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Tianjin300251,China)

Taking a road engineering in Tianjin Binhai area as the research object, this paper established the finite element model, researched the settlement law and deformation mechanism of soft soil roadbed under different pile spacing, pile length, concluded the general methods of cement mortar pile spacing selection, pile length and other parameters, had certain

ignificance to guide the engineering design.

cement mortar pile, numerical simulation, embankment settlement

1009-6825(2016)05-0091-03

2015-12-03

卢业旭(1989- )，男，助理工程师

TU447

A