袁 哲

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

随着国家现代化进程不断深化，我国建设的公路铁路项目越来越多，而我国地形复杂多变，许多公路铁路工程路基并不理想，软弱路基层出不穷，而水泥搅拌桩可以有效改良软弱路基，增强路堤稳定性，目前已有不少学者对此展开了研究。张卫民[1]等通过对某实际工程进行研究，分析了粒料桩对软弱路基的加固作用，以及影响粒料桩对路堤稳定性加固作用的影响因素；吴春秋[2]等通过复合地基对路堤的加固作用，使用极限平衡法和有限单元法分别计算了路堤稳定性，并进行对比，发现极限平衡法的不适用领域；郑刚[3]等使用多种计算分析方法对水泥搅拌桩加固软土的路堤稳定性进行了计算，发现了不同计算方法的计算结果差异较大，并提出使用多种简化计算方法以保证设计冗余度的建议；方建瑞[4]等通过对二维有限元强度折减法进行分析，并推广到三维层次，并将三维有限元强度折减法与三维极限平衡法计算结果与实际对比，证明了三维有限元方法更符合工程实际；俞建霖[5]等在极限平衡法的基础上，提出了一种新的计算刚性桩加固软弱路基的路堤边坡稳定性的分析方法，并与数值分析方法计算结果相对比，验证了该分析方法的合理性；刘晋南[6]等通过运用非线性有限单元法和强度折减法，建立数值分析模型，模拟路堤施工工况，分析了路基土体变形和边坡稳定性，并给出了实际工程相关建议；张土乔[7]等通过对水泥土桩成桩过程进行分析，发现了引起水泥土桩加固软弱土地基沉降的重要原因之一是桩周土的固结；刘勇健[8]等通过研究水泥土搅拌法的机理，分析了影响水泥搅拌桩加固作用的主要因素，并提出了相关实用建议；叶观宝[9]等室内试验和工程实际相结合，对水泥搅拌桩的应力集中问题进行了分析，并分析了其受力特性。

本文将结合实际路堤边坡工程，使用PLAXIS 3D有限元软件对水泥搅拌桩加固路堤的稳定性进行了研究，并分析桩长、桩径和桩间距对路堤稳定性的影响。

1 工程概况

本文针对某实际工程铁路路堤进行有限元建模分析，该工程场地多为软土，软土层厚度从6m到20m不等，该软土层的承载力极低、渗透性差、压缩性较高，且含有砂层，且砂层不规则；该铁路沿线环境较特殊，复杂多变，故而广泛分布有软弱土层，主要为粉细砂或细砂、黏土和淤泥质土之类的软弱土。针对该工程的复杂地质情况，该工程采用水泥搅拌桩处理软弱土层。

2 计算模型建立

本文使用PLAXIS 3D有限元软件对水泥搅拌桩加固路堤进行建模分析，PLAXIS 3D适用于岩土工程，各种结构单元较为成熟，能够准确模拟水泥搅拌桩对软弱地基的加固。

该工程铁路路基典型断面如图1所示，该典型断面路堤填高8m，坡度为1∶2，每4m设置一级放坡，共两级放坡，采用分层填筑法对路堤进行填筑，每次填筑耗时定为20d，并在填筑后自固结30d，再进行下一层填筑，每层填筑2m。该典型断面的地基土层较为单一，厚度也较均匀，可以简化模型，优化计算。该典型断面软弱土层平均厚度为11m，软弱土层下为砂土层，厚13m。该典型断面为对称结构，该路堤的约束条件与几何形状皆为关于路堤中轴面对称，可根据图1取其中一半，截取8m宽断面建立三维有限元模型如图2所示，可以简化模型，优化计算，缩短计算时间，且并不会降低精度。该工程设计加固路堤使用的水泥搅拌桩长为12m，直径为0.5m，桩心间距为1.2m。

图1 路堤横断面图(单位：m)

图2 水泥搅拌桩处理软基三维模型图

该模型使用Embedded桩单元模型水泥搅拌桩，单元数量共1162个；使用采用10节点四面体单元模拟软弱土层和砂土层，采用线弹性本构，单元数量共85881个。土层参数见表1，桩参数见表2。

表1 土体参数表

表2 水泥搅拌桩物理参数表

3 稳定性分析

3.1 水泥搅拌桩桩长对路堤稳定性的影响

本文通过PLAXIS 3D有限元软件，模拟分析桩径、桩间距固定为0.5m和1.2m时，不同水泥搅拌桩长对路堤稳定性的影响，不同桩长下路堤稳定性系数、总沉降和工后沉降的变化趋势如图3—5所示。

从图3中可以发现，路基未处理时，即桩长为0m时，稳定性系数为1.15，而《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》与《铁路工程设计技术手册》中给出的有效固结应力法计算得到的稳定性系数容许值为1.30，所以未处理时的路基处于不稳定的状态，需要进行加固，当桩长小于6m时，路堤稳定性系数随着桩长增长而急速上升，但当桩长超过6m时，路堤稳定性趋近于稳定，在一定区间内波动，说明当桩长超过6m时，对路堤稳定性的提升极其有限，单纯此时增长桩长无法有效地增加路堤的稳定性系数。

图3 稳定系数随桩长变化曲线图

从图4中可以发现，增长桩长可以减小路堤的总沉降，但当桩长增长到11m时，即桩身穿透软弱土层后，总沉降量也趋于稳定，说明此时单纯增长桩长也无法有效地减小路堤的总沉降量。

图4 总沉降随桩长变化曲线图

从图5中可以发现，增长桩长可以减小路堤的工后沉降，当桩长小于到7m时，增长桩长可以很有效的控制工后沉降，但当桩长大于7m时，虽然增加桩长，依旧有降低工后沉降的作用，但控制工后沉降效果不明显，本文以路堤填筑完成后，孔隙水压力降低到1kPa时的沉降量为工后沉降量。

图5 工后沉降随桩长变化曲线图

3.2 水泥搅拌桩桩径对路堤稳定性的影响

同样，本文通过PLAXIS 3D有限元软件，模拟分析桩长、桩间距固定为12m和0.5m时，不同水泥搅拌桩径对路堤稳定性的影响，不同桩径下路堤稳定性系数、总沉降和工后沉降的变化趋势如图6—8所示。

图6 稳定系数随桩径变化曲线图

由图6可以发现，路堤稳定性系数随着桩径增加，有着明显增加，当桩径小于0.4m时，路堤稳定性系数随着桩径的增长快速增长，但当桩径小于0.4m时，路堤稳定性系数增长速度明显变缓。虽然本文仅将桩径模拟到1.0m，但从趋势来看，当桩径逐渐增大到桩与桩外边界相接触后，相当于所有的软弱土层都被水泥搅拌桩挤满了，此时再增加桩径，路堤稳定性系数将不再增长。

由图7可以发现，增加桩径可以明显控制总沉降量，且随着桩径增加，总沉降量的减小速率不断降低，且逐渐趋于稳定。

图7 总沉降随桩径变化曲线图

由图8可以发现，增加桩径可以明显控制工后沉降量，且随着桩径增加，工后沉降量的减小速率不断降低，且桩径增大至0.5m时趋于稳定。

图8 工后沉降随桩径变化曲线图

3.3 水泥搅拌桩桩间距对路堤稳定性的影响

同样，本文通过PLAXIS 3D有限元软件，模拟分析桩长、桩径固定为12m和0.5m时，不同水泥搅拌桩间距对路堤稳定性的影响，不同桩径下路堤稳定性系数、总沉降和工后沉降的变化趋势如图9—11所示。

图9 稳定系数随桩间距变化曲线图

由图9可以发现，当桩间距逐渐增大时，路堤稳定性系数不断减小，当桩间距小于2m时，路堤稳定性系数减小速率较缓，当桩间距大于2m时，路堤稳定性系数随着桩间距增大而减小的速率明显变快。

由图10可以发现，路堤总沉降量随着水泥搅拌桩的桩间距增大而不断增大，路堤总沉降量随着水泥搅拌桩桩间距不断增大，沉降量下降速率越来越小。

图10 总沉降随桩间距变化曲线图

由图11可以发现，当桩间距小于3m时，路堤工后沉降量随着水泥搅拌桩的桩间距增大而在一个区间内不断震荡，当桩间距大于3m时，工后沉降量随着水泥搅拌桩的桩间距增大而急速增长。

图11 工后沉降随桩间距变化曲线图

4 结语

本文通过使用PLAXIS 3D有限元软件对某实际铁路工程的某典型断面进行了模拟分析，研究了水泥搅拌桩的桩长、桩径和桩心间距对路堤稳定性的加固作用，并分析了其影响规律，得到以下结论：

(1)路堤的稳定性系数随着桩长增加而增大，总沉降量和工后沉降量随着桩长增加而减小，但当桩长增加到一定程度时，再增加桩长对路堤的稳定性影响不大，尤其是当桩身刺破软弱土层，进入砂土层后，单纯增加桩长无法有效控制沉降量。

(2)随着桩径增加，路堤的稳定性系数不断增大，总沉降量不断减小，但逐渐趋于稳定，工后沉降虽然也随着桩径增加而减小，但当桩径大于0.5m时，增大桩径对工后沉降几乎没有影响。

(3)随着桩间距增加，路堤的稳定性系数不断减小，总沉降量不断增大，但逐渐趋于稳定，当桩间距小于3m时，桩间距的增大对工后沉降的影响很小，但当桩间距大于3m时，再增大桩间距，会明显增加路堤的工后沉降。