一种控制湖区高速公路不均匀沉降的水泥搅拌桩设计方法

摘要

本发明公开了一种基于双尺度的控制湖区高速公路过渡段不均匀沉降的水泥搅拌桩设计方法，包括以下步骤：首先利用双尺度算法均匀化水泥搅拌桩复合地基刚度参数，再采用有限元三维直剪数值试验模拟水泥搅拌桩桩土地基模型试件横向剪切破坏过程，得到强度参数，利用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟，结合SPSS数据处理软件，针对水泥搅拌桩这种地基处理方式进行相关分析。

说明书

技术领域

本发明涉及高速公路过渡段不均匀沉降问题，尤其涉及一种控制湖区高速 公路水泥搅拌桩处治的软土地基的不均匀沉降。

背景技术

近年来，随着公铁路建设的不断深入，在软土地区开展工程建设也愈加频 繁，而软基处理一直是工程项目建设的难点重点，目前国内按照处理原理公路软 土地基的处理方法主要分为两种，一种是排水固结处理法，一种是复合地基处理 法。而目前我们常用的复合地基处理方法有：CFG桩处理、水泥搅拌桩处理、挤 密砂桩处理、预应力管桩处理等。

在CFG桩处理、水泥搅拌桩处理、挤密砂桩处理、预应力管桩处理等，这 几种软土复合地基处理方法中，比较常用的是CFG桩法、水泥搅拌桩法、挤密砂 桩法等。而CFG桩法存在施工质量难控制、造价高等缺点，渐渐的也淡出了市场， 目前应用于实际工程中的方式有管桩复合地基加固，以及水泥搅拌桩法和挤密桩 法。由于挤密砂桩的处理深度较浅，且处理后工后沉降一般较难达到设计所需， 故在我国许多高速上应用了水泥搅拌桩，且能达到较为理想的处理效果。但由于 施工质量控制、设计理论计算以及验收的标准没有一个良好的规范，实际设计、 施工难以控制。为了使效益最大化，验证水泥搅拌桩的计算理论，总结施工经验、 验收标准等，开展水泥搅拌桩加固软土地基的技术研究尤为必要。

发明内容

根据现场长期监测获得沉降及测斜数据对这种地基处理方式处理效果进 行分析，利用双尺度算法均匀化水泥搅拌桩复合地基刚度参数，再采用有限元三 维直剪数值试验模拟水泥搅拌桩桩土地基模型试件横向剪切破坏过程，得到强度 参数，利用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟，结合SPSS数据处理软件， 针对水泥搅拌桩这种地基处理方式进行相关分析。

针对洞庭湖区域性软土进行现场调研及相应地质资料分析，了解湖区软 土的成因、软土地层岩性分布、水文地质条件、以及岩土物理力学参数。

对均匀化的水泥搅拌桩桩土地基模型刚度参数进行选取后，采用有限元 三维直剪数值试验模拟水泥搅拌桩桩土地基模型试件经横向水平剪切破坏过程， 获得了相应尺度下强度参数。

以洞庭湖区域性软土地质条件下水泥搅拌桩地基处治措施为研究内容， 引入计算所得的水泥搅拌桩复合地基等效参数，建立相应的有限元数值模型。计 算所得到的结果与实际测得的沉降结果进行比较，验证所求得的水泥搅拌桩复合 地基等效参数的准确性。

将水泥搅拌桩桩长、桩间距、桩径作为影响因素，水泥搅拌桩复合地基等 效参数(弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角)作为评价指标，进行混合型正 交试验，根据试验结果，运用SPSS软件进行数据分析，得到拟合后的非线性回 归方程。

附图说明

图1为双尺度计算方法统计区域；

图2为6m桩长弹性模量值及泊松比值变化图，横坐标为桩径，纵坐标是 弹性模量，桩间距分别为1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m；

图3为10m桩长弹性模量值及泊松比值变化图，横坐标为桩径，纵坐标 是弹性模量，桩间距分别为1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m；

图4为14m桩长弹性模量值及泊松比值变化图，横坐标为桩径，纵坐标 是弹性模量，桩间距分别为1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术效果做进一步说明。

针对水泥搅拌桩处治洞庭湖区软土地基提出了利用均匀化算法获取水泥 搅拌桩复合地基弹性模量、泊松比的方法，按照桩长6m，10m，14m进行划分， 在不同桩长下，由于水泥搅拌桩桩间距的减小以及桩径的增大，水泥搅拌桩复合 地基等效弹性模量数值增大，而等效泊松比数值减小。最终获得了水泥搅拌桩各 参数条件下的等效弹性模量和等效泊松比。

利用三维直剪数值试验提出了一种获取水泥搅拌桩复合地基等效强度参 数的方法。通过前期求得的等效刚度参数，建立了相应的ABAQUS有限元数值模 型，再通过摩尔应力圆求出了各个模型的等效粘聚力数值以及等效内摩擦角值， 分析得出随着桩径的增大以及桩间距的减小，粘聚力处于不断增大的状态。最后 得到了各个水泥搅拌桩复合地基模型的等效刚度参数。

利用均匀化算法求得的等效刚度参数以及三维直剪数值模拟试验得到的 等效强度参数，建立相应的原位数值模拟试验模型，根据模型的试验结果与现场 实测地基沉降进行对比，以验证等效桩土复合地基参数在数值模拟中的准确性。 最终得出该数值模拟结果较实测值较为准确。

选取水泥搅拌桩桩长、桩间距、桩径作为影响因素，水泥搅拌桩复合地基 等效弹性模量数值、等效泊松比数值、等效粘聚力数值、等效内摩擦角数值分别 作为评价指标，基于正交试验对水泥搅拌桩诸因素对水泥搅拌桩复合地基模型参 数的关系进行分析，分别取桩长6m，10m，14m；桩间距1.0m，1.5m，2.0m， 2.5m和3.0m；桩径0.5m，0.6m，0.7m，0.8m和0.9m五个水平，并分别将水泥 搅拌桩复合地基弹性模量、泊松比、粘聚力以及内摩擦角作为评价指标。通过直 观分析法确定了桩长为影响这些参数的主要因素。最后通过SPSS软件进行数据 处理，得到了这些参数与其影响因素之间的多元线性回归方程。可以得出：

水泥搅拌桩的桩长和桩间距对软基沉降影响水平较高。桩长每增加2m， 软基沉降减小约13％；路基沉降沉降减小约11％；桩间距每增大0.5m，地基沉 降减小约20％，路基顶面沉降约减小11％。

采用正交试验方法大大减小了工作量，提高了工作效率。

在保证土层及其他材料不变，同时排除气候等因素影响的基础上，对水泥 搅拌桩复合地基进行数值模拟，获得相应的参数，然后利用SPSS软件对这些数 据分析，分别得到了弹性模量、泊松比、粘聚力以及内摩擦角与水泥搅拌桩桩长、 桩间距、桩径之间的非标准化系数方程。其中非标准化系数方程R值均在0.95 以上，说明方程拟合程度较高，较为准确的预测水泥搅拌桩复合地基弹性模量、 泊松比、粘聚力以及内摩擦角的值。