浅谈水泥粉喷桩和土工格栅联合加固技术在高填土路段的应用

【摘　要】人们对粉喷桩或土工格栅单独加固技术已经有了一些认识和研究，但对联合技术的应用研究却很少。两种加固技术的联合作用，有待深入研究。因此，有必要对其共同加固作用规律进行研究，以揭示联合加固技术的规律特点，正确评价联合加固技术的效果，以便指导设计和施工，发展复合地基加固技术。

【关键词】水泥粉喷桩；土工格栅；高填土路堤；沉降；有限差分计算

【Abstract】Application study on combined disposal technique is scarce though unique disposal technique study has been done. Combined disposal technique need advanced study , so as to discover the principle, observe the effect of combined disposal technique correctly.

【Key words】Dry ｊet ｍixing ｐile；Geogrid；Ｈigh road embankment；Ｓettlement；Ｆinite difference method

０　概述

粉喷桩是“粉体喷射搅拌桩”的简称，具体地说，就是以水泥、石灰等材料作为固化剂，通过专用的粉体喷射搅拌施工机械，用压缩空气将粉体加固材料射入地基中，再凭借钻头叶片的搅拌旋转，使粉体加固材料与原位土充分搅拌，形成具有整体性、一定强度的柱状加固体，从而提高地基的强度[1－2]。

该方法是瑞典人杰尔德·鲍斯于1967年首次提出，1971年进行了第一次现场试验，制成了一根用生石灰和软土制成搅拌桩[3－5]。1974年开始用于工程实践，成桩直径为500mm，最大加固深度为10m-15m。1967年日本也开始研制石灰搅拌施工机械，1974年成功应用石灰粉体加固软土地基工程，加固深度为10m-30m[6－9]。

我国于20世纪80年代初引进此项技术。1983年初，铁道部第四勘测设计院开始进行粉体搅拌桩加固软土的试验研究，并与铁道部武汉工程机械研究所合作制出了我国第一台液压步履式深层搅拌粉喷桩机。1984年7月在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上应用石灰搅拌搅拌加固单孔4.5m盖板箱涵的软土地基获得成功。后来相继在武昌和连云港用于下水道沟槽挡土墙和铁路涵洞等软基加固，均获得良好的效果。此后，粉喷桩技术率先在我国沿海地区和长江中下游地区得到应用，目前该方法已广泛应用于铁路、公路、市政工程、港口、码头、工业与民用建筑等行业的软土地基加固中，取得了良好的经济效益和社会效益。经工程实践证明，该方法具有以下特点：

（1）施工简单、快速、施工效率高。粉喷桩强度提高较快，因此特别适用于工期紧、快速提高强度等方面的工程。

（2）与其他加固方法相比较，水泥粉喷桩施工震动小、噪音低，可在市区和其他密集建筑群中进行施工。

（3）土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不会引起附加沉降。

（4）加固费用低，与钢筋混凝土桩相比，可节省大量钢材，降低加固费用。

土工合成材料是以人工合成聚合物为原料制成的各类产品，是岩土工程中应用的合成材料的总称。可置于岩土或其他工程结构内部、表面或各结构层之间，具有加强、保护岩土或其他结构功能的一种新型材料。土工格栅是土工合成材料中的一种。

土工合成材料应用于岩土工程是近几十年发展起来的一门新技术。在短短几十年内，发展十分迅猛，目前，已广泛适用于各个基础产业部门。远在新石器时代，中国古代劳动人民利用茅草作为土的加筋材料。在国外，英国人，美国人都曾用木排、棉织物作为加筋材料修筑道路或加强路面。荷兰人用柳枝加固堤坝。

近代土工合成材料的发展，是与合成材料—塑料、合成纤维和合成橡胶的发展分不开的。自从1870年美国W.JOHN和I.SHYATT发明赛路路后，各种塑料不断研制成功，随后不同类型的合成纤维也投入生产。约在20世纪30年代大量塑料防渗膜开始用于水利工程之中。合成纤维在土中的应用是于20世纪50年代末期。1958年R.J.Barrett在美国弗罗里达州利用聚路乙烯织物作为海岸块石护坡路的垫层，一般认为是应用土工织物的开端。70年代以后，在国外，织物逐步应用在公路、铁路、和水利工程等大型永久性工程之中。80年代后，土工格栅、土工网、土工垫、土工格室等新材料的出现，进一步加快了土工合成材料应用技术的发展。

实际上在1957年以前，以合成纤维织物做成的砂袋已经在荷兰、德国和日本等国家应用了(Giroud，1986；Velduizen，1986)。在60年代，合成纤维土工织物主要是机织型的，大部分用于护岸防冲等工程。非织造型织物(俗称无纺织物或无纺布)在60年代末期开始应用于欧洲。在70年代，这种土工织物很快地从欧洲传播到美洲、西非洲和澳洲，最后传播到亚洲。随着使用范围的不断扩大，土工合成材料的生产和应用技术也在迅速地提高，使其逐渐形成一门新的边缘性学科。在1983年成立了“国际土工织物学会”(IGS)。自從1977年在巴黎召开第一届国际土工织物会议以来，到1995年为止已召开了5届专门关于土工合成材料方面的国际会议。在这期间还召开了很多地区性或专门性的会议，大大促进了这一新材料和新技术的发展。

土工合成材料在我国的应用开始于20世纪60年代中期，首先是用在塑料薄膜或土工膜在渠道、大坝等水利工程中的防渗之中。土工织物及其它加筋材料的应用，在我国起步较晚，但发展很快。目前水利水电建设方面，在全国各地的各项水电工程中均有不同程度的应用土工织物，如三峡工程围堰防渗等；其中电力系统新建电厂粉煤灰库90%以上采用土工织物修建库堤。铁路建设方面也大规模地应用土工织物加固路基，如广茂铁路、京九铁路路基处理等等。在港湾与海岸工程建设方面，也大量使用土工合成材料作为反滤、防护和加固材料，如青岛前港湾区防波堤工程。在公路建设方面，随着近些年高等级公路地不断建设，大量利用土工织物作为加筋材料，加固软基建造挡墙，或用土工网等材料来护坡和绿化，或用土工织物、土工网、土工玻纤网等防止沥青路面产生反射裂缝，也有用土工网等加筋构造物台背的路基填土，以减小构造物与路基填土之间的不均匀沉降，如已通车的沪宁高速公路、杭甬高速公路等等，在建的许多工程也普遍应用，如南京长江二桥工程等。此外，土工合成材料也大量应用在我国的其它工程之中，如市政、环保、隧道工程、港口、工业与民用建筑等。在应用过程中，许多工程获得了宝贵的实测资料。我国到1996年为止已经召开了四届全国性的土工合成材料学术会议。土工合成材料在我国工程建设的各个方面均发挥了很重要的作用，如在1998年的防汛抢险中得到了很多应用，并引起了国务院有关领导的重视，随后有关部门颁布了国家规范《土工合成材料应用技术规范》。国家几个行业部门也以制定了行业标准，如水利部门、交通部门等。

土工合成材料的应用潜力很大，其发展前景是广阔的，将来会用于更多的工程之中。土工格栅作为一种新型的建筑材料，目前已广泛应用于公路、水利等工程之中，大量的工程实践表明，在高速公路路堤填土施工中大量应用土工格栅，可以提高填土速度，缩短工期，提高填土极限高度，稳定边坡，减少用地，以及减小总沉降和不均匀沉降。但目前对于土工格栅加筋堤坎的设计理论与方法仍然很不成熟，尚未形成一套公认有效的计算方法和设计理论，计算结果和实测值有一定的差别，普遍地偏于保守，这样就会造成设计上的盲目性和工程上的浪费，因此，无论从设计计算还是从工程实践上都需加强对这一方面问题的研究，提高设计准确性和合理性。

近几年来，粉喷桩、土工织物等复合地基加固新技术在高速公路软基处理中得到了广泛应用，取得了良好的加固效果。黄河冲积平原区的土为第四纪新近堆积土，土质以低液限粉土、粘土为主，土质特点为：（1）含水量高，孔隙比大，属中高压缩性土；（2）土质剖面分层较多，力学性质差异大；（3）地下水位较高，受季节影响水位波动大；（4）土质剖面中常有软土夹层。因此，属不良地基。

山东省有50%的陆地面积为黄河冲积平原区，齐河地处黄河北岸，典型的黄土冲积平原，土质较差。黄河大坝填土较高，为了减少路基沉降，提高路堤稳定性 ，所以需对路基及高填土路堤进行加固处理。经过方案比较采用了粉喷桩和土工格栅联合加固处理技术。该技术是用粉喷桩加固路基，用土工格栅加固路堤填土。粉喷桩与土工格栅联合应用，既能发挥各自的作用又能相互协调，但是，对粉喷桩与土工格栅联合加固的效果，沉降变形规律，附加应力场，以及加筋的理论等缺乏研究。因此，无论从设计计算还是从工程实践上都需加强对这一方面问题的研究，以提高设计准确性和合理性，指导生产和实践。

１　联合处理技术的数值分析

随着计算机的迅速发展，数值计算分析方法在岩土工程中得到广泛应用，目前数值计算方法主要有：差分法、有限元法、边界元法、变分法、加权余量法等。有限差分法是将研究区域用差分网格离散，对于每个节点通过用差商代替导数，把课题的微分方程转化为差分方程，然后结合初始条件和边界条件，求解线性方程组得到课题的数值解。该方法较直观，并且近些年发展了任意网格的差分，使这一古老的方法又可以與有限元法相匹敌。本次研究采用快速拉格朗日法（FLAC-3D）应用程序对各种工况进行数值模拟，以期研究加固机理、加固效果及应力应变规律。

１.１　计算方法

FLAC-3D应用程序采用比奥（BIOT）固结有限差分法求解。比奥从比较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙水压力消散与土固结变形相互关系的三维固结方程。它的基本公式包含平衡微分方程和连续微分方程两部分。

在土体中任取一微分体，若体积力只考虑重力，则三维平衡微分方程为：

■+■+■=0

■+■+■=0

■+■+■=-γ（1）

以上为总应力方程，根据有效应力原理，总应力为有效应力?滓′与孔隙水压力u 之和，且孔隙水压力不承受剪应力，上式表示为有效应力方程为：

■+■+■+■=0

■+■+■+■=0

■+■+■+■=-γ（2）

式中，■，■，■实际上是各方向的单位渗透力，此式是以土骨架为脱离体建立的平衡微分方程。

由土骨架的本构关系，可将式（2）中的应力用应变表示为：

?滓■′=2G（■ε■+ε■）

?滓′■=2G（■ε■+ε■）

?滓′■=2G（■ε■+ε■）（3）

?子■=Gγxy　?子■＝Gγｚx　?子■＝Gγｙｚ

式中，G和v分别为剪切模量和泊松比

再利用几何方程将应变表示为位移可得三维比奥固结方程为：

-G?塄■?棕■■■+■+■+■=0

-G?塄■?覣■■■■+■+■+■=0

-G?塄■?覣■■■■+■+■+■=-γ（4）

式中，?塄■为拉普拉斯算子，?塄■=■+■+■。

此外，由达西定律可得连续性方程：

-■■+■+■+■?塄■u=0（5）

饱和土体中任一点孔隙水压力和位移随着时间的变化，必须同时满足平衡方程式（4）和连续性方程（5），两式联立起来就是比奥固结方程。

１．２　本构模型

水泥土与桩间土都是非线性材料，其变形与荷载大小、加载路径、加载历史有关，弹性模量及泊松比都是变量。目前用于非线性材料的本构模型较多，可概括为非线性模型、弹塑性模型、塑性模型。

非线性模型主要有Duncan—Zhang（E—u E--B）模型。弹塑性模型主要有剑桥模型，lade模型，以及南京水利科学院沈珠江教授提出的三重屈服面模型，清华大学黄文熙提出的清华模型和河海大学殷宗泽教授提出的椭圆—抛物双屈服面模型等。弹塑性模型可以模拟屈服后的应力应变状态，能更好的反映土体的实际变形特性和软硬化性质、及应力路径等的影响，缺点是公式比较复杂，众多的参数难以确定，目前，仍然处于研究发展中。本文地基土及路基填土、粉喷桩采用Mohr—Coulomb Plasticity 模型。该模型用于承受剪应力会发生屈服变形，但是屈服应力仅仅依赖于小主应力的材料。

１．３　Flac-3D原理简介及求解方法

Flac-3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)应用程序是采用三维显式有限差分法程序，它将计算区域划分为若干个六面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法。由于采用了显示有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。

Flac-3D在求解中使用了如下三种计算方法：

a.离散模型方法。连续介质被离散为若干通过互相连接的六面体单元，作用力均被集中在节点上。

b.有限差分方法。变量关于时间和空间的一阶导数均用有限差分来近似。

c.动态松弛方法。应用质点运动方程求解，通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。

１．４　工程实例

G309线齐河段沿线地质主要为黄河冲积平原区。跨黄河二滩地质勘察报告表明，该地区地下水位较浅，土质以软塑亚粘土为主，其天然承载力低，在动荷载作用下可发生砂土液化。改线后的路线又经过多处池塘，需经过加固处理方可作为路基持力层。由于该路段填土高（最高处12米），结合工程地质条件采用了粉喷桩和土工格栅复合地基联合加固技术处理。该工程段路基采用粉喷桩加固，桩长为16m，间距为1.1m；路堤填土较高采用土工格栅加固，格栅层间距0.6m。采用Flac-3D程序进行数值模拟。

横断面如图1。

图1

试验区在该路段K32+230黄河二滩西侧。该区土质以低液限粘土为主，土的物理力学指标见表1。

边坡为变坡，设计高程为26.254米，地面高程14.262米，填土高约为12米（包括2米的预压填土）。自地表向下打水泥粉喷桩，桩径50cm，间距110cm，为正三角形布置，桩深16m。

路基土和路堤土采用六面体实体单元。土工格栅用cable单元来模拟，cable单元具有两个结点，每个结点有一个沿轴向的自由度。一根真正cable的可以用cable单元的集合来模拟。cable单元可以承受拉力和压力，但是，不能承受弯矩。Cable

可以固定在网格的某个点上，力可以在实体和cable单元之间传递；也可以承受点荷载和预应力。cable单元可以用来模拟很多种拉力起主要作用的结构物。用pile单元来模拟粉喷桩，pile单元是具有两个结点，每个结点有六个自由度的直线型的有限单元。pile单元可以与网格单元之间相互传递剪力、法向力、弯矩。pile单元是cable单元和beam单元的结合体。它能够承受点荷载和分布荷载。pile单元用来模拟与地基块体既有切向摩擦力相互作用又有法向力相互作用的建筑结构。

１．５　计算分析

图2　有限差分法网格图

实际工程中，粉喷桩为群桩共同作用，由于粉喷桩间距较小，桩径为0.5米，桩间距为0.6米，不易设置过渡层单元，计算中桩周土采用了原状土参数。本文计算采用三维单元，由于路堤路基处于平面应变状态下，所以沿路堤长度方向即z方向取较小的厚度1.1米，且在z方向的边界条件为z方向的位移为0。桩是圆柱体，处理方法是采用桩单元 即sel pile 。有限差分网格见图2，图3为桩与土工格栅的几何模型。

图3　粉喷桩与格栅几何模型

图4　路基中心线下分层沉降计算结果

用FLAC-3D模拟实际工况，得出路基中心軸处地面线点的沉降为52厘米，实测结果为41厘米（沉降尚未稳定），图4为路基中心线下分层沉降计算结果曲线，图5为路基中心线下实测分层沉降曲线。对比图4与图5可以看出计算结果与实测结果基本吻合。说明所选用的FLAC-3D程序与所选用的计算参数用于数值模拟是可靠的。

图5　路基中心线分层沉降实测值

１．５．１　加固后路基总沉降变形特点

为了研究联合加固的路基变形特点，进行不同情况计算对比。图6，地基沉降曲线比较。联合加固时，路基中心地基总沉降量为0.525m，不加固时，沉降量却为0.830m。比较可知，采用联合加固法处理后，有效地减少地基总沉降量，说明所采用的加固处理措施合理可行，效果明显。粉喷桩复合地基可有效地减小加固区沉降量，尤其是能够减少路基中心处的沉降量，但是，对减少坡脚处沉降影响不大。因此，可以采取有效优化布桩的原则，在路面范围内采用较大量置换率，布置长桩；而在边坡处，可适当减少置换率，布置短桩而不影响加固效果，同时，还能节省材料，减少经济投入。

图6　没有加固与联合加固地表沉降比较图

１．５．２　加固后路基分层沉降变形特点

从图7中可以看出，下卧层的压缩量为0.47米；粉喷桩加固区的沉降量为0.05米。可见，联合加固后，加固区的下卧层的压缩量占路基沉降量的绝大部分（90%），而加固区压缩量只占其沉降量很小的比例（10%）。经粉喷桩加固处理后，加固区沉降量有明显减小，但下卧层沉降量没有减小，相反有所增加，因此建议粉喷桩宜穿透软弱层，坐落在持力层上。对于现有下卧层沉降计算方法，主要问题是如何确定下卧层附加应力场。

图7　为联合加固前后路基轴线下各深度沉降值

１．５．３　下卧层附加应力与沉降特点

图8　下卧层顶面附加应力对比图

图8为加固前后附加应力对比图。联合加固后，路基下卧层顶面附加应力分布发生了变化。加固后，路中心下卧层的附加应力大于没有使用粉喷桩时下卧层的附加应力；而路堤坡脚处，加固后下卧层的附加应力小于不加固的附加应力。说明路基经加固后，下卧层附加应力有向路中心集中的趋势。在沉降分析中表现为，加固后，路基中线下卧层沉降量将比不加固增大，路基坡脚处下卧层沉降量将比不加固有所减少，加固后下卧层附加应力大于不加固的附加应力。说明，粉喷桩在改善表层土质的同时，将荷载传递到较深的土层。采取联合加固法后下卧层的附加应力曲线与没有粉喷桩相比，附加应力曲线规律基本相同，只是量值稍大。如果地基土表层软弱而下层坚实，使用粉喷桩处理浅层地基效果将更为理想。

１．５．４　土工格栅对路基的沉降的作用分析

为了研究土工格栅在路堤加固中的作用，进行了不同加固方案对比分析。图9为粉喷桩加固处理后路基沉降曲线。从图中可以看出，路基各分层的沉降量与联合加固的沉降量基本一致。这一现象说明，采用Flac-3D程（下转第253页）（上接第286页）序能较好模拟桩体作用，而对于与土工格栅联合作用计算方法尚待改进。实际工程中，土工格栅与土体结合后，特别是铺设多层土工格栅后，土体的整体性加强了，整个路堤横断面的刚度增大了。土工格栅采用cable单元模拟，cable单元能很好的模拟土工格栅受拉的力学性质，但是，无法模拟路堤刚度增大这一事实。路堤的刚度增大，会影响路基中附加应力的分布，从而影响路基的沉降变形。如果能进一步改进计算方法，使新的计算方法反映路堤的刚度，才能准确计算联合加固的效果。

图9　粉喷桩单独加固路基沉降图

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［责任编辑：周娜］