长短桩在公路软土地基中的应用研究.pdf

文章编号:():./.长短桩在公路软土地基中的应用研究张丽君(太原公路分局娄烦公路管理段 太原市)摘 要:文章结合工程实况在分析总结长短桩加固机理的基础上采用 软件对长短桩加固地基的公路地基变形特征进行研究对比分析长短桩加固、全短桩和全长桩的加固效果 研究结果表明:长短桩加固方法可在保证加固效果的同时降低工程造价 同时分析长短桩加固地基工况发现地表沉降最大处在路堤中部且随填筑高度增加而增加地表沉降变化曲线随填筑高度的增加其锯齿状变化也越明显路堤填筑对地表沉降的影响范围为路堤坡脚向外.填筑过程中地表水平位移值随填筑高度增加而逐渐增大 关键词:长短桩加固软土地基沉降变形有限元分析中图分类号:文献标识码:引言由于我国地理条件特征高等级公路工程建设中不可避免地会遇到特殊地质 软土具有含水量大、压缩性高、承载力低等特点 刘松玉等在软土地基处理中针对搅拌桩工艺问题提出了双向水泥土搅拌桩技术对比分析了双向搅拌桩和传统搅拌桩施工后的加固效果认为双向搅拌桩工艺能够提高搅拌桩的均匀性消除冒浆现象该工艺下的复合地基的承载能力较传统方式更强 魏星对公路软土地基在交通荷载下的长期沉降进行了研究通过大量试验数据提出了长期荷载作用下沉降的变形计算模型并采用三轴试验进行了模拟试验验证了新计算模型的适用性及合理性 李月光对影响软土路基沉降的各因素进行了梳理在此基础上对各个敏感因素在地基沉降中的影响程度进行了研究利用灰色理论进行关联分析得出了各个影响因素的敏感系数 左殿军等分析了塑料套管混凝土桩加固软土地基的作用机理并进行地表变形、桩应力、孔隙水压力等参数的现场试验研究结果表明桩帽和桩间土的差异性沉降最大值为 桩的应力集中随桩土间的差异性沉降值降低而减小塑料套管混凝土桩能够有效控制路堤的水平位移提高路堤的整体稳定性 赵亮等对比分析了 桩、碎石桩、桩与碎石桩联合加固三种不同方案在贵州某高速公路的处理效果并认为 桩基加固效果最佳 张秀勇等结合室内试验和数值模拟手段对碎石桩复合地基加固软土地基的效果进行了分析结果表明碎石桩复合地基可显著改善深厚软土地基稳定性提高其承载能力 目前对于软土地基的处理方法很多针对不同的工程地质条件有不同的处理方案但理论研究常常滞后于工程实际关于柔性桩和刚性桩相结合的复合软土地基处理方式的相关研究较少 文章采用 软件对长短桩加固的软土地基变形规律进行研究结合某高速公路工程实际进行建模分析以期为工程实践提供参考依据 工程概况某高速公路路基段路线总长.其中桩号范围 .段位于软土地基上 该区段地势西部较高东部较低平均海拔为高差达到.植被发育良好灌木丛生 该地区属于亚热带季风气候降雨量较大年平均湿度在 以上 文章选取的最不利路段为 断面处如图 所示根据地勘资料显示该地区的地震烈度为度上覆第四系残坡积层亚粘土、软黏土下伏二叠系灰岩 该段路堤高度 下部存在软土厚度约 对路堤的稳定性不利不可直接使用 该处的地层 年 第 期 北方交通图 横断面(单位:)自上而下为四层分别为淤泥质土、软黏土、碎石土和灰岩其中淤泥质土的厚度为 软黏土层厚度为 碎石土层厚度为 最底层为较坚硬的灰岩 针对项目地质情况采用长短桩加固地基的方法处理 路堤宽度为 高度为 坡率均为 见图 长桩采用 桩短桩采用水泥搅拌桩 短桩作用于软土层为长 的圆形桩桩径 长桩穿过软土层达到持力层桩长 桩径.长短桩间距为 为加强桩和桩间土的共同作用桩顶铺设.厚的级配碎石褥垫层 数值模拟计算分析.模型的建立 软件涵盖了岩土工程中常见的本构模型如摩尔库伦、邓肯张、修正剑桥黏土模型等具有良好的工程适应性因此文章采用 软件、平面模型进行模拟计算在模型建立时为减小边界尺寸对模型运算的影响应将模型的尺寸尽量增大但模型尺寸过大又不利于模型的计算根据填方高度等参数确定模型尺寸为 具体如图 所示 土层均采用平面应变单元选用摩尔库伦本构模型长短桩均采用梁单元属性、弹性本构模型其余模型参数参照图 划分网格单元时将路堤划分为 层每层厚度为 以便模拟施工填筑 网格密度均为 有限元模型如图 所示模型参数见表 图 有限元模型 有限元软件采用激活和钝化单元模拟结构的实施采用施工阶段管理模块对模型进行施工阶段模拟 模型建立完成后首先施加重力和边界条件恢复原有的自重应力状态此时应将位移清零再实施加固结构及长短桩和褥垫层单元激活进而分层(每层)填筑路基分步激活每层路基单元最后再进行模型数据提取和分析表 模型参数表名称弹性模量/泊松比容重/(/)/()本构模型路堤填土.摩尔 库伦淤泥质土.摩尔 库伦软黏土.摩尔 库伦灰岩.摩尔 库伦褥垫层.摩尔 库伦水泥搅拌桩.弹性 桩.弹性.计算结果分析.地基表面变形分析()地基在填筑过程中的沉降分析在施工阶段的模拟中路堤按照每次每层 的进度向上填筑每层填筑后对地表变形情况进行提取如图 所示 图中填 填 表示自下而上的填筑 水平间距每间隔 进行数据采集图 路基填筑过程沉降变化规律由图 可知路堤在填筑过程中地基表面的沉降逐渐增大每层填土后地基表面的最大沉降值约增大.最大值为.地基表面的沉降呈现出随路堤填筑高度增大而逐渐向中线聚拢的增大趋势 如填 和填 填 施工后沉降曲线在路堤底部较为平缓均匀而填 施工后路堤底部的沉降在路堤中线处较为突出并且在路堤填筑过程中路北方交通 年 第 期堤底面的地表沉降由均匀变化向锯齿状变化逐渐过渡 这是因为路堤呈梯形分布导致填筑过程中地基表面的沉降中部增大明显同时锯齿状的地表沉降也体现出长短桩作用于地基土层上时土层和桩体之间的不均匀沉降通过结果分析在锯齿状分布的曲线上起伏最大的点往往是长桩与地基表面的连接点锯齿状起伏较小的点是短桩与地基表面的连接点这也说明长桩、短桩与土体的共同作用中土体的变形最大其次是短桩部分最后是长桩端的变形 同时也说明了长短桩与土体之间的协同作用短桩和土体直接共同作用变形量较大对土体的挤密作用较长桩好 长桩的作用更多是将上层土体的荷载传递到下层持力层长桩端部也更容易产生集中应力 此外从沉降的位置变化情况来看模型中路堤填筑的影响范围在路堤坡脚外.并且在路堤整个变形过程中该影响范围并没有随之扩大()地基在填筑过程中的水平位移分析为了了解地基表面水平位移变化情况每隔 对地基表面进行水平数据采集如图 所示图 路基填筑过程水平位移变化规律图 所示的水平位移正值表示向右侧移动反之向左 从图中可知水平位移值随填筑高度的变化逐渐增大 每层土填筑后水平位移的最大值出现在路堤的坡脚位置并随路堤填筑高度的变化逐渐变大最大值为.最大值出现的位置随填筑高度增大有从坡脚向路堤中线靠近的趋势.不同工况下路基表面沉降的影响分析为明确地基表面变形受不同加固形式的影响情况现有其他条件不变的情况下对全长桩加固、全短桩加固、长短桩混合加固下的三种工况进行路基表面变形分析 对不同工况下地基表面的最终沉降变化进行分析结果如图 所示图 不同工况下地表沉降对比分析由图 可见三种工况下地基表面变形曲线规律相同呈中间大、两端小的变化趋势 其中仅短桩加固下的沉降最大最大值达到.全长桩加固下的沉降最小最大值为 长短桩混合加固下的最大值为.可见仅短桩加固虽能在一定程度上挤密地基土提高地基的承载能力但无法将地基中的应力有效传递到更深层在路堤荷载作用下发挥加固作用有限 全长桩加固作用效果虽然最好但仅比长短桩混合的加固沉降最值减少.提升效果有限增加工程造价不利于工程经济性 结果说明了长短桩在地基加固中的优势长桩与短桩可做互补.不同工况下有效应力云图分析不同工况下模型的有效应力云图见图、图 图 仅短桩加固后模型有效应力云图图、图 中明显可见仅短桩工况下的软土地层应力较大特别体现在路堤底部的软土部分应力较大呈上凸状而在长短桩共同作用下不仅路堤底部软土地层的应力减小应力的上凸趋势变缓同时 年 第 期 张丽君:长短桩在公路软土地基中的应用研究图 长短桩加固后模型有效应力云图软土地基的应力过渡更加平顺但长桩底部的应力比仅短桩加固工况下的应力更大从而验证了长桩在长短桩加固地基方法中的承载作用 结论文章采用有限元模拟软件对长短桩加固地基的公路路堤变形进行研究得到以下结论:()长短桩加固地基的作用下地表沉降最大处在路堤中部地基表面的沉降随填筑高度增大而增大且地表沉降随填筑高度的增大呈锯齿状变化越明显最大值为.路堤填筑对地表沉降的影响范围为路堤坡脚向外.()地表在路堤填筑过程中的水平位移呈对称分布随填筑高度增大而逐渐增大 路堤填筑过程中最大值出现的位置从坡脚不断向路基中心移动 ()三种工况下全短桩加固的地表沉降最大值为.全长桩加固沉降最大值为 长短桩混合加固沉降最大值为.长短桩加固方法能够在保证加固效果的同时降低工程造价()相对于全短桩加固方法长短桩加固有利于降低路堤底部软土地层的应力将上部荷载传递至持力层参考文献 刘松玉易耀林朱志铎.双向搅拌桩加固高速公路软土地基现场对比试验研究.岩石力学与工程学报():.魏星黄茂松.交通荷载作用下公路软土地基长期沉降的计算.岩土力学():.李月光聂敏.高速公路软土地基沉降影响因素敏感性灰色关联分析.系统工程理论与实践():.左殿军齐昌广张宇亭等.塑料套管混凝土桩加固公路软土地基现场试验研究.岩土工程学报():.赵亮王昌贤王俊杰.高速公路软土地基加固效果数值模拟.重庆交通大学学报(自然科学版)():.张秀勇王海龙李杰.碎石桩复合地基在大丽高速公路软土地基处理中的应用.河海大学学报(自然科学版)():.().:.北方交通 年 第 期