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摘要：软土地基的承载力和稳定性一直是国内外重点关注的问题，但对软土地基加固方案效果及作用模式的研究较少。为研究加筋垫层、加固桩组合方案的处理效果，文中采用有限元分析软件进行数值分析。从分析结果可以表明，加筋垫层、加固桩组合方案处理软基路堤，具有较高的刚度和抗剪切破坏性能；能提高软土路堤抵抗侧向变形的能力，能显著约束软土地基的水平位移；加筋垫层、加固桩组合方案处理软基路堤方案，可有效降低软基路堤沉降而提升其稳定性。
关键词：软基路堤；加筋垫层；加固桩；组合方案；稳定性；
0 引言
公路工程施工过程中，经常会遇到软弱路基，而软弱路基如果处理方案不适当将严重影响路基工程的稳定性。施工过程中软弱路基常规解决方案有软弱层置换法、抛石挤淤法、强夯法、水泥粉喷桩等，而本文章将要分析加筋垫层、加固桩组合方案在处理软基路堤方面的效果。实践证明此方案施工工艺简便、造价较低、适用性强等特点，在高速公路路基加固中得到广泛应用，但目前理论研究领域对于此方案的总结较少，特别在受力状态、稳定性数值模拟方面还有待进一步完善。基于此研究背景，本文将分析加筋垫层、加固桩组合方案的作用机理，并利用有限元分析软件定量研究这一方案的处理效果，在为以后同类型工程施工及养护项目，提供技术理论支撑方面具有十分重要的意义。
1设计方法与作用原理
1.1加筋垫层的作用机理
（1）在路基以上结构体自重、行车荷载等竖向荷载叠加作用下，加固桩与桩周围的土体界面之间会产生摩擦作用，从而制约土颗粒之间的位移运动，有利于确保路基垫层的整体稳定性能；
（2）在路基上部荷载作用下，加固桩之间的竖向土体内部将产生较大的应力变化，且能将转递而来的荷载均匀消散到地基土体当中，这一荷载消散过程能达到换填方案的效果，并能提升软弱路基的极限状态承载能力；
（3）复合地基方案的加筋垫层，不但能优化地基的整体受力状态，而且能阻止出现滑裂面现象生，并起到畅通排除土体间隙水的作用；
（4）如下图1所达的内容，加筋垫层处于软弱路堤的地基与路基之间，能有效防止底面垫层的断裂现象，确保均匀受力，同时也能有效防止剪切破坏，确保加筋垫层整体刚度；
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1.3加固桩作用原理分析
（1）软土地基在没有采用加固方案时，其地基结构内的土体颗粒呈不稳定状态，因复合地基竖向加固桩的作用，土体中的细粒颗料能重新排裂，而逐步趋向稳定平衡状态；
（2）路基上部结构的路堤部分，因承受的荷载逐步转递到加筋垫层结构，再因加筋垫层以下的土质结构被竖向应力逐降打破，桩体周围的土颗粒在应力影响下重新组合排列，不断向低势能方向滑动，从而造成空隙水能顺利排除，密实度不断提升，随着时间的推移固结作用越来越显著；
（3）因加固桩与加筋垫层的共同作用，复合地基土体结构的应力集中分布到了桩体的上半部分，绝大部分荷载直接由桩体承担，且桩体周围的土体应力逐降减低而消散。所以加固桩复合地基承载力计算公式如下：
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图2：双向增强复合地基沉降计算模型示意图
2理论模型的建立
2.1有限元分析模型
基于以上分析内容，利用有限元软件，建立数值模拟用的软基路堤模型，如下图3：
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图3：加筋垫层与竖向加固桩复合增强软基路堤模型
（1）以半路堤中间剖切线为对称轴，而建立的理论计算模型；水平方向、垂直方向分别为X轴及Y轴；
（2）路基几何尺寸参数为：1）试验路长为40米；2）路基、路堤的高分别高6 m、4 m；3）桩基的长为4 m；4）加筋垫层厚度是0.5 m；5）路堤坡度为1：1.5；
（3）分析计算过程中，因桩体位于地基结构范围内，桩体变形很小，故此采用弹性模型模拟桩体；
（4）加筋垫层中的土工格栅，因材料性能及原设计的作用，只考虑承受拉力，不再考虑承受压力；
（5）垫层材料需在掺合材料中填加中砂、碎石、钢纤维等加筋材料；
2.2变形网格
受路堤土重量和车辆荷载的作用，路肩处会出现向下的变形位移，同时复合桩与桩土之间出现了差异沉降，如图4所示：
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图4：网格形变场分布
分析以上图4可知：
（1）非桩基承载路堤填土处沉降量较大，最大总位移为363.93 mm；
（2）在路堤自重及竖向荷载作用下，软基路堤沉降变化不大，说明竖方向加固桩，在低抗路基沉降方面效果十分明显；路堤上部的抗压变形明显减小，但下部桩体出现了较明显的横向偏移现象；
（3）从以上分析图可判断坡脚处的隆起较小，无明显变形迹象，加筋垫层与加固桩组合方案，能有效减少土体横向位移。
3算例数值分析
3.1软基路堤土变形位移分析
以下图5为软基路堤的变形位移矢量云图：
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图5：软基路堤变形位移矢量云图（单位：%）
从以上图5可看出：
（1）加载瞬时路堤内部形成一个不连续的滑动面，由于竖向加固桩的作用，滑动面扩展趋势变缓；竖向加固桩还有效阻断了滑动面向路基边缘处的延伸，
（3）由于最外侧加固桩的设置，滑动面的反射被阻断，减弱了坡脚的剪切破坏；
3.2软基路堤土应力变化分析
软基路堤加载瞬间，加筋垫层与竖向加固桩调节作用明显，主应力主要分布在桩上部与桩内侧，以下图6中桩土差异沉降与位移矢量云图印证了这一点。
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图6：变形位移矢量云图（单位：%）
分析以上图6说明：
（1）由于土体抗剪强度的存在，桩和土形成模量差异，土体变形位移主要集中在桩帽处，竖向加固桩承担了大部分荷载；
（2）加筋垫层与竖向加固桩共同作用，阻止了土体内部滑动病害，应力拱的形成加速了孔隙水的消散，促使地基土体不断固化，从而确保了复合地基整体受力性能；
3.3软基路堤土超孔隙水压消散分析
（1）软土路基开挖时，受到施加在路基表面的荷载作用，导致土体中水无法及时向外排出，而在土壤中形成孔隙水，增加了土体内部压力；
（2）加筋垫层与竖向加固桩的作用，土壤固结沉降缓慢消散，路基中心线处超孔隙水压最大，沿着路基中心线逐渐向路基边缘减小；
（3）加筋垫层与竖向加固桩的作用，使孔隙水压力集中在坡脚处，消散前后的最大超静水压力分别为-9.69 kPa，降低至-0.988kPa；
4 结论
（1）加筋垫层、加固桩复合地基结构，因加筋垫层自身材料性质，具有较高的抗剪切破坏能力和刚度，能有效提升软土路基的承载能力极限；
（2）软弱土路基因本身土质是高液塑土，在外部荷载作用下，很容易出明显的地基沉降现象，但在复合地基加筋垫层、加固桩共同作用下，竖向加固桩能承受并有效传递上部土体的荷载，能有效防止土体内部不稳定情况发生，例如滑移现象；由于竖向加固桩的作用，桩基周围的土体能迅速扩散外部荷载，并阻止软基液化现象发生；
（3）加筋垫层、加固桩复合地基结构，能迅速扩散外部荷载，阻止软基出现液化，促使软基路堤不断固化。本文的分析成果对于同类型工程项目，实践运用参考价值大。
参考文献
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论文作者:刘夏郎 1,张超2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年7期
论文发表时间:2019/7/10
标签：路堤论文; 路基论文; 地基论文; 荷载论文; 作用论文; 位移论文; 方案论文; 《建筑学研究前沿》2019年7期论文;