基于溫克勒假設對高速公路軟土路基旋噴樁處理的應用研究
摘要：旋噴樁作為加固軟基的一種方法，在軟土地區(qū)廣泛應用，但其加固機理的認識并不深入。從溫克勒地基假設出發(fā)，對旋噴樁的加固機理進行了探討，并提出了一個簡單直觀的理論分析模型。最后結合旋噴樁的工程實例，對理論模型的結論可信性做進一步的驗證。
關鍵詞:旋噴樁；復合地基；溫克勒地基模型
一、前言
軟土地區(qū)的高等級公路建設必須首先解決軟土地基的承載力不足、壓縮沉降過大、沉降穩(wěn)定持續(xù)時間長等問題。實踐證明，旋噴樁因為能與樁間土共同分擔上部荷載并協(xié)調變形，形成復合地基，所以在增加地基強度、提高地基承載力、減少土體壓縮變形等方面效果顯著。但是，直到目前，有關旋噴樁復合地基承載機理的研究還處于研究階段，許多設計和施工技術人員對旋噴樁的加固機理并沒有一個清晰的認識，甚至有著錯誤的認識。筆者從溫克勒地基假設出發(fā)，對旋噴樁的加固機理做一探討，提供簡單直觀的加固機理解釋。
二、基于溫克勒地基假設的旋噴樁復合地基加固機理
溫克勒地基假設：地基每單位面積上所受的壓力與地基沉降成正比，而地基某一點的沉降僅取決于作用于該點的壓力，與鄰近的地基不發(fā)生任何關系；地基的受壓作用正如許多彼此不相聯(lián)系的彈簧受壓的情況一樣。如果用系數(shù)K表示溫克勒地基的剛度，稱之為“地基反應模量”，與撓度無關，在所考慮的面積內所有各點都是一樣的。則溫克勒地基可用以下公式表示：
(2-1)
式中：—地基頂面某一點的反力（Mpa）；
K—地基反應模量（Mpa/cm）；
Z—豎向撓度（cm）。
實際上，地基在橫向是相互牽連和相互約束的，其中一部分受力，相鄰部位也會受到影響，也將產(chǎn)生沉降變形。但是應當看到雖然溫克勒地基低估了地基的側向聯(lián)系，卻使計算結果偏于安全。
�。ㄒ唬o堅硬下承層情況下的旋噴樁復合地基分析
圖1是旋噴樁加固后的溫克勒地基示意圖，K1和K2分別為旋噴樁和地基土的“彈性常數(shù)”�？梢钥闯鰟傂曰A下除地基土“彈簧”外，還有樁與土相連的“串聯(lián)彈簧”。對于彈性常數(shù)分別為K1、K2的兩個彈簧串聯(lián)有：
(2-2)
式中：X1、X2——分別是兩彈簧的壓縮變形量；
K——串聯(lián)彈簧的復合彈性常數(shù)；
P——作用于彈簧上的壓力。
令旋噴樁復合地基的“彈性常數(shù)”（地基反應模量）為，復合地基上剛性基礎作用有豎向力P，基礎的沉降為s，取剛性基礎為隔離體，則分析其受力條件：
（2-3）
整理式（2-2）及式（2-3）得：
當旋噴樁復合地基中旋噴樁沒有支承于堅硬土層（不可壓縮）時，式（2-4）即為復合地基反應模量的表達式。作為表征地基剛度的明顯大于天然地基的反應模量。與天然地基相比，旋噴樁復合地基在相同的荷載作用下沉降減少；相同的沉降條件下能承擔更大的載荷。此外，從式（2-4）和圖1還可以看出，剛性基礎下的復合地基沉降很大一部分發(fā)生在下臥地層。
（二）有堅硬下承層情況下的旋噴樁復合地基分析
對于旋噴樁已經(jīng)支承于堅硬土層的情況，我們可以用溫克勒地基模型來說明。同樣，取剛性基礎為隔離體分析受力有：
(2-5)
其中的含義同2.1節(jié)。
整理得：
(2-6)
從式（2-6）可以看出，由于旋噴樁的遠大于軟土的，支承型旋噴樁復合地基的承載力顯著提高，沉降量比存在軟弱下臥層的復合地基明顯減少�？梢娦龂姌都庸誊浫醯鼗�，提高承載力、減少沉降是可行的。
從上面的分析可以看出，旋噴樁的存在確實減少了軟土地基的沉降，提高了地基的承載力，但這種加固作用受樁長和實際地層條件的影響很大。對于有軟弱下臥層的情況旋噴樁復合地基的加固效果并不明顯；而旋噴樁支承于堅硬下承層上時，則加固效果十分顯著。
三、旋噴樁復合地基的工程實例
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某段高速公路中有11公里的范圍內分布有厚度不同的軟基。該路段位于潮白河沖積平原區(qū)，現(xiàn)為耕地，第四系沉積層較厚，地勢自西向東微傾斜。經(jīng)鉆探查明，場地勘探深度內所見均屬第四系全新統(tǒng)（Q4）河流沖積夾湖積地層。以粘性土為主，間夾薄層土，偶見粉細砂。按其埋藏條件、成因，巖土特征及物理力學性質將地基土自上而下分為：粉土、粘土、粉質粘土、粉土。通過對路段各層的土層厚度、含水量、壓縮系數(shù)、壓縮模量等物理力學指標和承載力值進行的檢測結果分析，該段路基天然地基不能滿足高速公路直接路堤填筑的需要，必須進行處理。
（二）旋噴樁加固地基設計
設計采用旋噴樁的有效長度為10m，樁徑為0.8m。樁排距3.46m，樁間距4m，呈梅花型布置。典型路堤段軟基加固布樁方案見圖2。
�。ㄈ┏两涤^測及加固效果評價
軟基加固處理工作于1999年2月開始，隨后4月份路基施工開始填土，試驗監(jiān)測也同時進行，監(jiān)測內容主要是地表沉降和路基旁側位移。地表沉降共設41個測點，布設原則是在軟土較厚的地方布點密一些，點距30～50m，軟基相對較薄的地方點距大一些，約200m。
經(jīng)對對該項目處理結果進行了近十年的跟蹤檢測，在路基施工階段及公路通車運營1年內監(jiān)測時間間隔相對較密；通車運營1年后，監(jiān)測時間間隔逐漸增大。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果詳見圖3（旋噴樁作用效果對照圖）、圖4（A至C合同段的測點沉降沿里程變化曲線）。
從以上這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖表中可以得出以下結論：（1）未經(jīng)旋噴加固的樁號K9+500與旋噴處理的樁號K9+420兩點相距僅80m，地層結構相同、填土高度基本相同，但沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明K9+420處沉降量遠小于K9+500處，顯然旋噴樁起到了減少軟基沉降、提高地基承載力的作用；（2）旋噴樁加固軟基與普通軟基的加載沉降規(guī)律基本一致，隨填土的增加，沉降增加，隨時間推移，沉降趨緩。只是總沉降量小于天然軟基；（3）旋噴樁加固軟基的沉降大小除與軟弱土層厚度有關外，還與軟弱土層的下臥深度有關。其它工況條件相近的，軟弱土層越厚，沉降越大；旋噴樁未穿透軟弱層的復合地基沉降大，樁底支承于堅硬土層的沉降小。
四、結論
理論分析和工程實例都表明旋噴樁復合地基對于減少軟弱地基的沉降，提高地基承載力有積極的作用，特別是旋噴樁直接支承于堅硬土層上時，效果十分明顯。而對于存在厚的未穿透下臥軟弱層的情況，是否采用旋噴樁復合地基就需做更全面的考慮了。
參考文獻：
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