钉型水泥土搅拌桩加固软土路堤的数值分析

曹 洋，郑林达

(1.浙江浙能天然气管网有限公司， 浙江 杭州 310051；2.浙江省能源集团有限公司， 浙江 杭州 310013)

伴随着山区铁路建设如火如荼地进行，产生了大量的软弱地基上的填方工程。由于软土抗剪强度低、压缩性高、渗透性差等工程特性，在其上方填筑路堤时，不得不考虑路堤的工后沉降及路堤的稳定性问题[1-2]。目前，处理软弱地基的主要方式是从中加入竖向加固体，与土体形成复合地基共同承担路堤荷载。而水泥土搅拌桩复合地基作为软基处理的一种有效形式，已在铁路、公路软弱地基加固中广泛使用[3-5]。但是，到目前为止，设计人员对路堤荷载下水泥土搅拌桩复合地基的失稳破坏机理普遍认识不深，现行规范对其也没有较全面的把握，对路堤稳定性及桩体失稳破坏模式的研究仍严重滞后于工程实践[6-8]。对此，国内外学者通过模型试验[9-12]、数值分析[13-14]、现场试验[15-16]等手段对其做了大量研究。

Miyake等[9]通过离心机模型试验，得出了路堤荷载下水泥土搅拌桩桩体可能发生诸如弯曲破坏、整体滑动破坏、整体倾倒破坏和受压破坏多种破坏模式。Kitazume等[10-11]指出，水泥土搅拌桩桩体的强度以及外部荷载大小直接影响路堤的失稳破坏模式，当桩体强度较高时，桩体较易发生整体倾倒破坏，当桩体强度较低时，桩体更可能发生弯曲破坏。聂文峰等[12]采用数值分析方法，发现路堤荷载下水泥土搅拌桩所受剪力值远小于其自身强度，桩体的剪切破坏较不容易发生，采用传统的极限平衡法将高估路堤稳定性。张振等[13]通过水泥土搅拌桩桩承路堤缩尺模型试验，发现桩体的破坏模式与桩所在位置有较大关系，路面下的搅拌桩主要发生压剪破坏，而坡面下方的桩体更倾向于弯曲破坏模式。综上所述，目前对水泥土搅拌桩复合地基研究主要集中在桩体破坏模式及失稳机理的研究上，对单桩条件下水泥土搅拌桩的工作机理及其稳定性贡献尚缺乏较更深入的研究。

为此，本文以某高速路钉型水泥土搅拌桩复合地基支承的路堤为研究对象，采用ABAQUS数值分析软件建立了基于群桩及单桩条件下的三维路堤数值分析模型，探讨了路堤荷载下不同位置的钉型水泥土搅拌桩的工作机理，以期弄清各桩的稳定性贡献值大小以及找出复合地基的关键位置桩。

1 数值分析模型及参数

1.1 几何模型及边界条件

根据某高速路钉型水泥土搅拌桩试验段，借助ABAQUS软件建立了路堤的有限元模型，因路堤对称，为简化模型，仅取路堤右半部进行分析，路堤的计算剖面图如图1所示。其中钉型水泥土搅拌桩扩大头桩径为1 m，长为4 m，下部桩桩径0.5 m，长为12.5 m，总桩长为16.5 m，桩间距为1.85 m，该断面上总共布置14根搅拌桩。设计路面宽度为35 m，边坡比为1∶1.5，路堤填筑高度为4 m，通过生死单元来模拟其堆载过程。采用接触单元来模拟搅拌桩与土体之间的相互作用，且遵循库仑定律，其中钉型水泥土搅拌桩与淤泥质黏土的摩擦系数按当地经验取为0.2。

图1钉型水泥土搅拌桩路堤加固剖面图(单位：m)

1.2 计算模型及参数

地基土、填土采用摩尔-库仑弹塑性模型，典型的土层剖面如图2所示。同时为反映钉型水泥土搅拌桩的屈服破坏，亦采用摩尔库仑屈服准则。钉型桩、填土以及地基土的材料参数可根据该高速公路试验段的勘察报告或当地经验确定，相应的计算参数如表1所示。

图2土层剖面图

图3即为对应的有限元计算模型，同时，为进一步分析单桩条件下钉型水泥土搅拌桩的工作机理及稳定性贡献。在本文群桩路堤模型的基础上，取其中的单根搅拌桩建立了14个单桩路堤模型，其具体计算参数，模型边界条件，接触模型等均与群桩条件下相同，其中部分有限元计算模型如图3所示。

表1 模型计算参数

图3有限元计算模型

2 计算结果分析

2.1 群桩条件下桩身轴力分析

图4为路堤荷载下典型桩桩身轴力曲线图，其中2#、6#、10#桩位于路面正下位置，12#桩位于路堤边坡位置。由图4可知，路面下的2#、6#、10#桩桩身轴力分布规律相似，轴力值相差不大，其中位于路堤正中位置的2#桩轴力值最大，6#桩次之，较靠近路堤坡肩的10#桩轴力值最小。而路堤边坡位置的12#桩，桩身轴力值明显小于路面下的2#、6#、10#桩，轴力值约为2#桩二分之一。表明钉型水泥土搅拌桩复合地基，其路堤的大部分竖向荷载主要由路面范围内的桩体承担。

同时，由曲线可知，4根钉型水泥土搅拌桩在扩大头与下部桩交界位置即桩身4 m处轴力值产生突变，为更好地揭示钉型水泥土搅拌桩桩土作用规律，特绘制出2#、12#桩的桩身轴力增量图如图5所示。由图5可知，2#、12#桩桩身轴力变化规律基本相似，在两桩的扩大头部分，均产生正的轴力增量，表明此时桩间土的沉降量大于桩的沉降量，产生向下的摩阻力，桩身轴力值增大；而在桩体扩大头与下部桩交界处，轴力值急剧变化，主要原因为扩大头下部的桩周土对桩体的支撑作用，使该处桩身轴力值迅速减小。另外，由于该处土体的支承作用，引起下部桩的土体相对桩体下沉，从而对桩产生向下的摩阻力，致使桩身轴力值增大，但变化幅度较小。最后，两桩在桩身13 m位置时，此时桩体压缩量大于桩周土，产生向上的摩阻力，桩身轴力值缓缓减小。可见，由于钉型水泥土搅拌桩的扩大头结构，使二者交界处桩身轴力急剧变化，有效地减小了下部桩的桩身轴力值。一定程度上减少了下卧层土体的压缩沉降，同时也降低了下部桩压坏的可能性。

图4 典型桩桩身轴力曲线

图5典型桩桩身轴力增量曲线

2.2 群桩条件下桩身弯矩剪力分析

图6为路堤堆载结束后典型桩对应的剪力曲线图。由图6可知，位于坡肩附近10#、12#桩的剪力值最大，在桩顶产生最大剪力值9 kN，坡脚处的14#桩身剪力值相比略有降低，总体上，桩身剪力值随桩号增加呈现先增大后减小的趋势。另外，在桩身扩大头范围内，桩身剪力值均较大，而在扩大头与下部桩的交界位置，桩身剪力值急剧减小，下部桩的桩身剪力值基本为零。表明钉型水泥土搅拌桩复合地基，坡肩及外侧的桩体承担了较大的水平荷载，桩身扩大头部分通过发挥较大的抗剪作用来增加路堤的稳定性。

图6典型桩桩身剪力

图7为路堤堆载结束后各桩的桩身弯矩曲线图。由图7可知，最大弯矩值出现在坡肩附近的10#桩，其在桩顶位置产生最大弯矩值16 kN·m，该桩附近的8#、12#桩弯矩值也较大，坡脚位置的14#桩桩身弯矩较12#桩明显降低。而位于路堤内部的2#、4#、6#桩身弯矩值总体上较低，除在桩身扩大头与下部桩交界处产生较大的弯矩值外，桩身基本不受弯。可见，路堤荷载下钉型水泥土搅拌桩随着桩号增加，桩身弯矩值亦呈先增大后减小的趋势，同时在坡肩范围内桩身弯矩达到最大值。另外，从曲线的整体分布规律来看，钉型水泥土搅拌桩主要在扩大头部分承担较大的弯矩，下部桩的桩身基本不受弯。表明坡肩处的钉型搅拌桩扩大头部分通过发挥较大的抗弯作用来起到较好的阻滑效果，另外桩身承担弯矩较大，可能最先达到搅拌桩的抗弯强度而发生弯曲破坏。

图7典型桩桩身弯矩

2.3 单桩工作机理分析

为进一步弄清不同位置的钉型搅拌桩的工作机理，准确评价单桩的加固效果，图8给出了路堤无桩条件下、典型桩加固下的路堤等效塑性应变等值云图。

图8路堤等效塑性应变等值云图

由图8(a)可知，在天然路堤条件下，路堤沿路面中心位置及较深的软土层中形成一贯通的滑裂面，并在路堤的坡脚出露。并且软土层中较大范围土体进入塑性屈服状态。图8(b)、图8(c)、图8(d)为桩体分别在4#、8#、11#位置时对路堤进行加固后的路堤等效塑性应变等值云图。从图8(b)可知，地基经4#桩加固后，其潜在的滑裂面规模明显减小，原天然地基条件下潜在滑裂面交于路堤中心，经其加固后，滑裂面往路堤外侧发展，且下覆土体塑性区域明显缩小。图8(c)为8#桩加固后路堤等效塑性应变等值云图，由图可知，由于8#桩的存在，使其加固处土体的塑性区域向四周分散，不似图8(a)在天然地基条件下出现塑性区集中，同时也有效地阻断了滑裂面的形成，使其向更深处的土层发展。当钉型搅拌桩位于11#桩位置，其与8#桩类似，亦使加固处集中的土体塑性区向四周分散，所不同的是，其桩前与桩后仍有较大范围的土体塑性区，加固效果略弱于8#桩。

图9分别为路堤经4#、8#、11#桩加固后的桩土位移矢量图。由图9可知，当桩体位于4#位置时，其对桩后土体起到了一定的阻挡作用，土体水平位移减小，但对桩前的土体作用效果并不好，土体产生较大的滑移并从路堤的坡脚隆起。当桩在8#位置时，此时由于桩对土体的阻挡作用，显著减小了桩后及桩前土体的水平位移，并使土体的滑移方向向更深的土层发展，起到了较好的阻滑效果。而当桩体在11#位置时，由于桩体的加固位置过于靠后，此时桩后土体已产生较大的滑移，桩体虽对滑动土体起到抗滑作用，但效果甚微，路堤仍产生明显的滑移趋势。

2.4 路堤关键位置桩

由上文可知，桩体的加固位置影响着路堤塑性区发展模式、改变地基土体的滑移规律进而提高路堤的稳定性。对此，根据有限元强度折减法，求得了桩位于不同位置加固下的路堤安全系数值如图10所示。由图10可知，单桩条件下，桩体位于7#、8#、9#位置时，对路堤的安全性提升最为明显，加固效果最为显著。其余桩对路堤稳定贡献值差别不大，其安全系数值在1.45左右波动。可见7#、8#、9#位置桩为路堤的关键位置桩，在工程中可通过对该位置桩体的加强，提高钉型水泥土搅拌桩复合地基的整体抗滑效果，进而提高路堤稳定性。

3 结 论

(1) 路面范围内的钉型搅拌桩承担主要的路堤竖向荷载，由于钉型桩的扩大头结构，使桩土间的相互作用变得较为复杂，扩大头下部的桩周土能提供一个较大的支持力显著减小下部桩身轴力，从而一定程度降低下卧持力层的沉降量。

(2) 路堤荷载下，桩身剪力值和弯矩值随桩号增加大体上呈先增大后减小的趋势，其中以坡肩范围内的搅拌桩桩身剪力值和弯矩值最大，且其主要是通过桩身扩大头部分发挥抗剪、抗弯作用来起到抗滑效果。

图9 单桩加固后桩土位移矢量图

图10单桩加固后路堤安全系数值

(3) 路堤荷载下，桩体是通过减少桩前及桩后的土体位移，改变路堤的等效塑性区分布，一定程度上阻断了潜在滑裂面的形成及贯通，进而提高路堤稳定性。