不同软基处理方法工后沉降与稳定研究

[ 1]
本文采用数值分析手段对不同软基处理方法的沉降
稳定规律研究, 为设计者合理选择软基处理方法和
进行工后沉降控制设计提供参考。
2 模型的建立
211 模型的建立
高速公路软土地基处理方式多种多样, 本文只
针对常用软土地基处理进行数值模拟, 软件采用二
维有限元计算软件 PLAXIS812 , 建立四种模型, 模
型 1为单独采用袋装砂井处理的路基, 模型 2为单
独采用刚性桩复合地基处理的地基, 本工程选用的
是 CFG桩, 模型 3 、模型 4均为采用袋装砂井和
CFG桩的组合地基处理方案, 不同的是二者施工
顺序不同, 模型 3为先施工 CFG桩再施工袋装砂
井, 模型 4正好相反, 目的是探讨施工顺序对稳定
和沉降的影响。本工程路幅宽 40m, 路面结构层厚
1m, 路堤填筑高度 4m, 分两层填筑, 每层 2m;
路堤下有一层 015m厚的水平排水砂垫层, 砂垫层
下为深厚软土层, 其下为粘土层。刚性桩和袋装砂
井的间距均为 2m, 正方形布置, 桩长穿过软土层。
几何模型如图 1~ 3所示。
图 1 模型 1的几何图示
212 参数取值 (表 1)
213 计算步骤
根据路堤填筑的实际情况, 每个模型所采用的
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2009年增刊 探矿工程 (岩土钻掘工程 )
表 1 各土层参数
名称参数
弹性模量 E
/MPa
内摩擦角 c
/( kN# m - 2 )
粘聚力 U
/( b)
泊松比 v
水平渗透系数
k x /( m# day - 1 )
竖直渗透系数
k y /( m# day - 1 )
界面强度
折减因子
路面结构层 1000 30 32 0 12 0 0 刚性
路 堤 35 20 30 0125 011 011 017
砂垫层 20 1 32 0125 110 110 017
软土层 113 8 10 0 14 8@ 10 - 5 8 @ 10 - 5 016
粘土层 11 25 16 0 13
8@ 10 - 4 8 @ 10 - 4
刚性
计算步骤也有所不同。程序中所采用的详细步骤如 表 2所示。
表 2 不同模型的施工步骤
模型步骤
第一步
(天 )
第二步
(天 )
第三步
(天 )
第四步
(天 )
第五步
(天 )
第六步
(天 )
模型 1
袋装砂井
T11= 10
路堤第一部分
T 12= 70
路堤第二部分
T 13= 130
固结 180天
T14= 310
路面结构层
T 15= 340
T 16= X
模型 2
刚性桩
T21= 60
路堤第一部分
T 22= 120
路堤第二部分
T 23= 180
路面结构层
T24= 210
T 25= X 无
模型 3
刚性桩
T31= 60
袋装砂井
T 32= 70
路堤第一部分
T 33= 130
路堤第二部分
T34= 190
路面结构层
T 35= 220
T 36= X
模型 4
袋装砂井
T41= 10
刚性桩
T 42= 70
路堤第一部分
T 43= 130
路堤第二部分
T44= 190
路面结构层
T 45= 220
T 46= X
注: 表中 T ab 代表累积时间, a代表模型数, b代表计算 (施工 ) 步数, 单位为天, 最后一步的累积时间由固结至最小孔压 1kN /m 2 来
控制。
3 工后沉降分析
工后沉降分析主要从地表路堤各阶段沉降、工
后沉降这两个方面对结果进行分析对比, 指出不同
地基处理方法的地基沉降的规律。
311 沉降分析
根据有效应力原理 R= R
1
+ u, 软土固结的过
程主要是软土中超孔隙水压力 u消散, 有效应力
R
1
增加的过程
[ 2 、3] , 而固结的过程其实就是土体压
缩的过程, 通过程序对四种模型的计算, 再结合超
孔隙水压力的消散分析地表路堤在不同时刻的沉
降, 找出沉降变化规律, 为设计者在软土路堤设计
时提供参考, 为实际施工中控制工后沉降提供理论
依据。选择地表路堤在四种模式的四个阶段沉降对
比图, 图中的时间见表 2 。
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探矿工程 (岩土钻掘工程 ) 2009年增刊
对以上分析可以得出:
( 1) 图 4很好的展示了固结过程地基沉降的
发展, 在第一次加载时由于土中附加应力增大, 超
静水压力增大, 同时由于袋装砂井的存在, 孔隙水
很快排除, 沉降增加明显, 同样第二次加载后沉降
也有显著增加, 与 T 12 时刻相比增加了 2418cm, 可
见在排水固结过程中上部荷载对沉降影响是很
大的。
图 4 模型 1四阶段沉降
( 2) 图 5很好的反映出在刚性桩复合地基上
施工路堤时沉降是很均匀的, 由此降低了差异沉
降, 如此对地基稳定性也是很有帮助的, 不会因为
过大的沉降差而导致失稳现象的出现。刚性桩复合
地基沉降受时间控制因素弱, 一旦施工完成就可以
有效降低路基沉降。
图 5 模型 2四阶段沉降
( 3) 模型 3与模型 4的总沉降相差无几, 但
是在 T 33 = T 43 时刻, 沉降分别为 717cm 和 915cm,
说明先施工袋装砂井可以促进软土固结。
( 4) 图 6 、图 7与图 5 、图 6对比可以发现组
合方案具有模型 1工后沉降小的优点同时又具有刚
性桩复合地基减小总沉降的优点, 并且避免出现弯
沉盆给砂垫层和袋装砂井带来的危害
[ 4] 。
沉降的过程与固结及加载的过程是分不开的,
要根据不同地基处理方法来分析沉降的不同。
312 工后沉降分析
从上面也可以看出地表路堤工后沉降的情况,
以下选择四种模型中路面的工后沉降进行对比, 对
比见表 3 。
表 3 工后沉降表
模型 模型 1 模型 2 模型 3 模型 4
总沉降 /cm 76105 16117 16180 18178
施工期总沉降 /cm 69167 12145 15170 17169
差值 /cm 614 317 111 111
从表 3可以看出:
( 1) 模型 1工后沉降最大, 模型 3 、 4工后沉
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2009年增刊 探矿工程 (岩土钻掘工程 )
降最小, 并且模型 1弯沉盆现象明显, 这有可能造
成工后不均匀沉降而导致路面开裂, 而模型 3 、 4
有效减小了工后沉降, 这与袋装砂井所起的作用是
分不开的。
( 2) 袋装砂井由于施工期预压时间很长, 对
减小工后沉降差很有帮助, 结合上节分析可知, 其
并不能减小总沉降
[ 4] 。
( 4) 模型 3和模型 4的工后沉降相同, 与模
型 2相比减小了 70 % 左右, 可见袋装砂井排水固
结在减小工后上所起的作用是很大的。结合超孔隙
水压力消散可知模型 3、4达到工后沉降最大值的
时间要比模型 2要短许多。同时由于刚性桩复合地
基的作用, 模型 2和模型 3 、4在总沉降上相差无
几, 由此也可以看出袋装砂井在减小总沉降上所起
的作用是很小的。
4 稳定性分析
在设计路基时, 不仅要考虑最终的稳定性, 而
且还要考虑施工期间的稳定性, PLAXIS程序采用
有限元强度折减法进行稳定性分析, 既可以分析是
施工期间的稳定性, 也可以分析最终的稳定性, 可
根据不同施工期 4中模型的安全系数来探讨不同处
理方法对地基稳定性的影响。四种模型在不同阶段
的安全系数见表 4所示。
表 4 不同模型不同阶段的安全系数
模型 1
阶段 T 12 T 13 T 15 T 16 最后两阶段增幅
安全系数 11965 11374 11166 11218 01052
模型 2
阶段 T 22 T 23 T 24 T 25
安全系数 41227 21755 21207 21428
01221
模型 3
阶段
T 33 T 34 T 35 T 36
安全系数 31468 21465 21081 21348
01267
模型 4
阶段
T 43 T 44 T 45 T 46
安全系数 31470 21481 21093 21349
01256
注: 最后一步时间控制仍是采用达到最小孔压 110kN /m 2 的时间, 同上。
从表 4可以看出:
( 1) 四种模型均存在随着荷载的增加, 安全
系数在不断的减小, 当路面结构层施工完成时达到
最小值。由此可知路基失效机制在开始加载后逐渐
发展, 在最后一次加载过程中达到最大值, 即安全
系数最小, 可见施工期的稳定性的不断变化的, 这
点不容忽视。
( 2) 就最后两阶段的安全系数增幅而言, 模
型 2、3 、 4均大于模型 1 , 这主要跟刚性桩的存在
有很大关系。
( 3) 模型 3 、模型 4在最后时刻的稳定系数
相同。
( 4) 模型 2 、 3 、 4一旦刚性桩施工完成, 软
土地基的稳定则提高很多, 所以桩体复合地基增大
地基承载力的同时也增加了路基的稳定性
[ 3、 5] , 用
承载力控制稳定是合理的。
5 结论
本文通过建立四种不同软基处理方法的有限元
模型进行固结、沉降分析, 得出以下结论:
( 1) 不同软基处理方法所产生的沉降变化规
律差别很大, 把握不同软基处理的沉降规律对实际
应用选择何种处理方法很有帮助。
( 2) 排水固结法可以有效地减小工后沉降,
但不能降低总沉降, 同时还必须注意弯沉盆现象对
排水结构的影响; 刚性桩复合地基可以有效提高地
基承载力, 从而减小总沉降和工后沉降, 并增加沉
降的均匀性。
( 3) 对于组合方案处理的软土地基, 其沉降
与施工顺序有一定的关系, 先施工袋装砂井对减小
工后沉降影响不大, 但根据工程经验可以减少
CFG桩成桩时的挤土效应。
( 4) 软土地基的沉降与施工时的加荷速率有
密切的关系。加荷过程中, 一方面地基土的强度因
固结而提高, 另一方面剪应力也在增大, 所以合理
加载计划, 对保证地基施工期间的稳定性十分
重要。
( 5) 软土地基施工加载期的稳定性不容忽视。
( 6) 由于计算理论存在诸多假设, 计算参数
(下转第 291页 )
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2009年增刊 探矿工程 (岩土钻掘工程 )
岩体结构复杂, 架空、漏失严重, 钻进中卡钻、套
管断裂等事故频繁发生。造成套管跟进深度无法达
到设计基岩面, 大大降低成孔速度, 影响工期, 同
时增加施工成本。其中数量最多的 1800k N 级锚索
跟管选用 5 168mm 套管, 在常规工艺下很难突破
50m, 一般在 40m时套管靴断裂比例大幅提高。一
但管靴断裂就必须拔管重钻, 极大地影响工程进
度。由于频繁的提拔钻具, 发现二次跟管时较第一
次跟管容易; 于是出现了在超过 50m 深的锚索孔
先用 5 178mm 一次跟管, 拔出后换 5 168mm 二次
跟管的工艺。这种方法在现场是可行的, 证明降低
管阻能够提高跟管钻进的效率, 由于冲击器频率是
一定的, 相应地也就增加了套管的跟管钻进寿命。
基于以上分析和现场条件, 小湾堆积体施工在
以下几方面做了相应的改进并取得较好的效果。
2004年在左岸饮水沟 2号山梁抢险时完成 1800kN
级堆积体锚索 242根, 最深施工孔深 8010m, 平均
跟管深度 4310m, 最大跟管深度 6510m, 保证了左
岸饮水沟 2号山梁堆积体抢险加固施工的需要, 对
2号山梁的变形稳定起到了决定性作用。
( 1) 材质和热处理性能改善。偏心跟管钻具
(含管靴 ) 选用 35Cr Mo或 40Cr Mn Mo高强度材料,
经调质、渗碳、淬火热处理工艺处理, 材料韧性和
强度与传统钻具 DZ40相比均有很大提高。
( 2) 改进套管与管靴连接方式。为了提高管
靴寿命, 套管靴以内螺纹结构取代传统外螺纹, 增
加管靴壁厚度使结构更加合理;
( 3) 管靴长度调整。加长管靴长度使冲击跟
管台阶与套管连接螺纹的距离增加, 减弱冲击力引
起的应力集中对连接螺纹根部的影响。
( 4) 5 89mm螺旋叶片钻杆。复杂地层钻孔较
深时, 在粗径钻杆外部焊接螺旋叶片, 在不影响气
体流动情况下, 相当于直径增大, 起到扶正器保直
的作用, 提高成孔质量。同时螺旋钻杆将压缩空气
排粉和螺旋叶片携带岩渣 (屑 ) 的作用结合起来,
有效地将岩屑携带出孔底下部, 减少卡钻、埋钻内
事故, 提高钻进效率。
5 结论和建议
( 1) 调整材质、热处理工艺, 提高套管和钻
具的强度; 同时改善套管与管靴丝扣连接形式
(外径改内径, 梯形扣改弧形扣 ), 增加管靴根部
与冲击台阶的距离是增加套管跟管寿命的基础。
( 2) 降低摩阻力是增加套管跟管寿命的主要
途径;
( 3) 优化钻具结构设计, 调整偏心钻头偏心
距、合金齿出刃, 偏心和中心钻头的齿型、分布、
有利于改善孔壁间隙、成孔的规则程度, 从而降低
套管的卡阻系数。
( 4) 从冲击器的冲击功、冲击频率和钻具结
构、工艺规程参数的合理配合, 可以改善单次冲击
套管的冲击行程, 降低单位跟管的冲击次数。