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软土路基水泥砂浆桩的加固效果及参数影响分析

2024-07-05 68 上传者：管理员

摘要：水泥砂浆桩作为软土路基治理常用技术手段，具有节能环保、成桩效果好、造价低等优点，能显著增强地基承载能力，减小施工后的沉降。为有效提升水泥砂浆桩施工技术水平，保证软土路基加固效果，文章依托某公路项目软土路基治理案例，通过构建有限元模型，对水泥砂浆桩加固效果及不同桩距、桩长、桩身刚度下的路基沉降变化实施模拟分析。结果显示：（1）水泥砂浆桩处治前、后路基沉降由170.0 mm下降至90.0 mm，降幅高达47.1%，效果显著；（2）适当缩小桩距能有效减小路基沉降，实际施工时应综合成本及实际情况合理确定桩距；（3）桩长越长，桩体与土体之间的摩擦力越大，地基承载力越高，沉降越小；（4）桩身刚度越大，路基沉降越小，但减小幅度较小，实际施工中通常不考虑该方式。

关键词：
公路工程项目
加固效果
数值模拟分析
水泥砂浆桩
软土路基
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水泥砂浆桩是一种新型软土路基加固技术，主要是以水泥、中粗砂作为胶结材料，利用深层搅拌装置对软基内部软土实施拌和，通过胶结材料与软土之间产生理化反应，形成复合型地基，从而有效增强地基承载能力，达到软土路基加固的目的。该技术具有工艺简单、节能环保、成本低、加固效果好等诸多优势，得到了业界同仁的一致认可。为此，该文依托某公路项目软基治理实例，系统分析了水泥砂浆桩加固效果及参数变化对路基沉降的影响，对提高水泥砂浆桩施工水平，保证软基加固效果，具有重要意义。

1、工程概况

某公路项目设计路基宽25.0 m，沿线分布大量软土层；地质勘查显示，软土区域地层以粉黏土及黏土为主，通过研究决定选用水泥砂浆桩对软土区域实施加固，具体加固示意见图1所示。路基填方高度4.5 m，底部砂垫层厚0.5 m，粉黏土及黏土层厚度均为8.0 m，软基顶面宽12.5 m，高4.5 m，边坡坡比1∶1.5，填筑过程中利用分层填压方式进行施工。水泥砂浆桩长10.0 m，桩径0.5 m，布设间距1.3 m。

2、数值建模

根据该项目现场实际情况，通过PLAXIS系统构建软土路基模型，见图2所示。该路基左、右幅呈对称分布，因此选取左半幅实施模拟分析，其顶面宽12.5 m，宽4.5 m，边坡坡比1∶1.5。该模型尺寸为长×宽×高=10.0 m×50.0 m×20.5 m，砂垫层厚0.5 m，桩长10.0 m，桩端进入持力层2.0 m，桩径0.5 m，布设间距1.3 m。通过摩尔-库伦本构模型实施模拟，上表面呈自由状态，底部及侧面均对位移施加约束作用[1]。

图1水泥砂浆桩加固路基示意图

图2数值模型图

该路基各土层材料相关技术指标如表1所示，水泥砂浆桩及土工格栅的主要物理力学参数如表2所示。

表1土层材料的主要物理力学参数

表2水泥砂浆桩、土工格栅的主要物理力学参数情况

3、现场监测与数值模拟对比分析

通过现场实测值与模拟值比较，对数值模拟结果的准确性实施检验，详细对比曲线见图3所示。

图3数值模拟和现场实测值对比曲线图

从图3可知，实测值与模拟值基本一致，偏差不超过10.0%，充分表明该模拟方法具有较强的可行性，能够用来对加固效果实施模拟分析[2]。

4、数值结果分析

4.1加固效果分析

通过数值模拟对水泥砂浆处治效果实施模拟分析，路基处治前后的沉降变化规律见图4所示。

从图4可知，采用水泥砂浆桩对软土路基实施加固后，其沉降由170.0 mm下降至90.0 mm，降幅高达47.1%，充分表明水泥砂浆桩的加固效果显著。

4.2参数变化对路基沉降变形影响分析

为有效了解桩距、桩长及桩体刚度等参数变化对路基沉降的影响，通过数值模型对不同桩距、桩长及桩体刚度下路基沉降的变化规律实施模拟分析[3]。具体情况如下：

(1）桩距对路基沉降影响。选取桩距分别为1.0 m、1.3 m、1.6 m实施模拟分析，得到不同桩距下路基沉降的变化规律，见图5所示。

图4加固处理前后路基沉降云图

图5桩间距变化对路基沉降影响曲线图

从图5可知，桩距越小，路基沉降越小；如路基中心线位置，桩距分别为1.6 m、1.3 m、1.0 m条件下，路基沉降量依次为-88.16 mm、-84.89 mm、-81.83 mm，与间距1.6 m条件下相比，1.3 m、1.0 m桩距条件下的路基沉降量下降幅度分别为3.7%、7.2%，所以实际施工中可适当缩小桩距，以有效控制路基沉降；但由于桩距过小时，将在一定程度上影响桩间土体的效用，并增大造价，因此应根据实际情况合理确定桩距[4]。

(2）桩长对路基沉降影响。选取桩长分别为8.0 m、10.0 m、12.0 m实施模拟分析，得到不同桩长下路基沉降的变化规律，见图6所示。

图6桩长变化对路基沉降影响曲线图

从图6可知，桩长越长，路基沉降越小；如路基中心线位置，桩长为8.0 m、10.0 m、12.0 m条件下，路基沉降量依次为-99.39 mm、-86.82 mm、-76.19 mm，与8.0 m桩长条件下相比，10.0 m、12.0 m桩长条件下的路基沉降量下降幅度分别为12.6%、23.3%，这主要是由于桩长越长，桩体与土体之间的摩擦力越大，地基承载力越高，沉降就越小。所以，实际施工中可采取增加桩长的方式控制路基沉降[5]。

(3）桩体刚度对路基沉降影响。选取桩体刚度分别为1×108 N/m、2×108 N/m、3×108 N/m实施模拟分析，得到不同桩体刚度下路基沉降的变化规律，见图7所示。

从图7可知，桩体刚度越大，路基沉降越小；如路基中心线位置，在桩体刚度为1×108 N/m、2×108 N/m、3×108 N/m的条件下，路基沉降量依次为-90.14 mm、-87.35 mm、-86.08 mm，与桩体刚度为1×108 N/m的条件下相比，2×108 N/m、3×108 N/m桩体刚度条件下的路基沉降量下降幅度分别为3.1%、4.5%，降幅较小。因此，该方法在实际施工中通常为备用方法，应优先通过缩小桩距或增大桩长对沉降实施控制。

图7桩身刚度变化对路基沉降影响曲线图

5、结语

综上所述，该文结合某公路项目软土路基治理案例，通过构建有限元模型，对水泥砂浆桩加固效果及不同桩距、桩长、桩身刚度下的路基沉降变化实施模拟分析，得出如下结论：

(1）实测值与模拟值基本一致，偏差不超过10.0%，充分表明该模拟方法具有较强的可行性，能够用于对加固效果实施模拟分析。

(2）采用水泥砂浆桩对软土路基实施加固后，其沉降量由170.0 mm下降至90.0 mm，降幅高达40.0%，充分表明水泥砂浆桩的加固效果显著。

(3）缩小桩距、增加桩长、提高桩体刚度均能在一定程度上减小路基沉降，其中桩体刚度对路基沉降的影响较小，工程实践中应优先通过缩小桩距或增加桩长方式对路基沉降实施控制。

参考文献:

[1]郭铄,余胜伟.水泥砂浆桩复合地基数值分析[J].湖南交通科技, 2021(1):64-67.

[2]王松.水泥搅拌桩各参数对软弱路基沉降的影响分析[J].交通科技与管理, 2023(14):84-86.

[3]袁定辉,尹利华,张超,等.基于曲线拟合的路基沉降预测方法的稳定性分析[J].路基工程, 2020(5):74-78.

[4]刘华,张太雷,李国生.预应力混凝土管桩加固软土地基效果及参数影响分析[J].北方交通, 2023(1):34-37+41.

[5]孙冬爽.灰土挤密桩在公路软土路基中的加固效果研究[J].交通世界, 2022(14):95-97.