高压旋喷桩对现役高速公路的加固效果分析

2017年7月中国科技论文

CHINA SCIENCEPAPER

Vol. 12 No. 13 Jul. 2017

高压旋喷桩对现役高速公路的加固效果分析

田攀口，周航口，刘汉龙口，陈育民3,楚剑

4

(1.重庆大学土木工程学院，重庆400045; 2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045;

3.河海大学土木与交通学院，南京210098; 4.南洋理工大学，新加坡639798)

摘要:为解决现役高速公路长期变形问题，以连盐高速公路灌云段为对象，采用高压旋喷桩进行路基加固处理。针对高压旋

喷桩加固效果，建立ABAQUS有限元三维模型，并采用现场实测数据对模型的合理性进行验证。分析高压旋喷桩桩体弹性模 量、桩长、桩直径、桩间距、面积置换率以及公路运营时间对加固效果的影响。研究结果表明：采用高压旋喷桩进行处理，其工后 沉降为2〜3 cm,加固效果明显；桩体弹性模量、桩径、桩间距和桩长、面积置换率均会影响加固效果,但桩体弹性模量影响较小； 在面积置换率为8. 7%情况下，桩径比桩间距对加固效果的影响大，桩长对加固效果的影响最大；在相同加固桩体处理下，处理 时间越早，其运营期总沉降越小，但加固后固结沉降呈现增大趋势。关键词：高速公路;路基加固；加固效果;数值模拟；地基沉降；高压旋喷桩；现场试验;运营时间 中图分类号:TU437 文献标志码:A 文章编号= 2095 - 2783(2017)13 - 1543 - 06

Performance evaluatiohn of operating expressway reinforced with high pressure jet-grouting pile

TIAN Pan1’2, ZHOU Hang1’2, LIU Hanlong1’2, CHEN Yumin3, CHU Jian4

(1.

College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing iOOOiS, China； 2. Key Laboratory of Nezv

Technology for Construction of Cities in Mountain Area of Ministry of Education，Chongqing 400045, China ；

3. College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098? China ；

4. Nanyang Technological University ^ Singapore Singapore)

Abstract： To solve the problem of the long-term settlement of the operating expressway, part of the operating Lian-Yan express­

way embankment, namely the Guan Yun section, was reinforced with the high pressure jet grouting pile technique. A three-di­mensional FEM model was developed by using ABAQUS software in order to investigate the mechanism of the reinforced embank­ment. The model was verified by comparing the field test data with the FEM simulation results. Factors, including elastic modu­lus of pile, length and diameter of pile, pile spacing, the ratio of the area replacement and operating time, were selected to cap­ture the influence of these factors on the reinforcement. The results showed that the post-construction settlement varied from 2 to 3 cm when the embankment was reinforced by the high pressure jet grouting pile technique. This indicated that the use of high pressure jet grouting pile technique was an effective method in controlling the differential settlement. In addition, it was found that factors of length and diameter of piles and pile spacing all have significant influence on the reinforcing effect, while it was not sensitive to the elastic modulus of pile. Furthermore, when the ratio of the area replacement was 8. 7%, the reinforcement effect was more sensitive to the diameter of pile than the pile spacing. The factor of pile length was the most important factor affecting the embankment reinforcement. Under the same parameters of the pile, the shorter operating time of the expressway lead to the less operating consolidation settlement, while the consolidation settlement showed an increasing trend after reinforcement.

Keywords： expressway； ground improvement； reinforcement； numerical simulation； foundation settlement； high pressure jet

grouting pile； field test； operating time

随着经济的高速发展，目前通车高速公路里程

已突破10万km，其中大部分通车里程位于东南沿 海和水文发达的江南地区，这些地区的地基常常存 在深厚软土层，而软土层具有强度低、压缩性大、渗 透性差、含水率低等特点，在这种地基上修建高速公 路，其工后不均勻沉降问题尤其突出[1]。因此如何 解决已通车高速公路软弱地基工后不均勻沉降成为 亟待解决的现实问题。

目前，国内外对于软土路基的研究主要针对通车前路基处理，其路基处理技术已取得了持续、长足

的发展，新技术、新工艺和新方法不断涌现[2]。理论 方面，杨光华等[3]基于e-p曲线和Duncan-Chang本 构模型概念，提出用e-p曲线求取软土的非线性切线 模量建立了 1种考虑软土侧向变形引起沉降的 实用计算方法。数值模拟方面，Liu等[4]运用 ABAQUS软件建立了 PCC桩三维模型，模拟了路面 沉降、水平位移等，并与实测值进行比较，进而对桩 承式加筋路基设计方法的适用性进行了分析;

收稿日期：2016-11-22基金项目：国家自然科学基金资助项目（51420105013);高等学校学科创新引智计划资助项目（B13024) 第一作者：田攀(1995 —），男，硕士研究生，主要研究方向为软土地基处理 通信作者：周航，讲师，主要研究方向为软土地基处理与基础工程，zh4412517@163. com

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第12卷

Huang等=5 采用有限元分析进行粧承式路堤沉降 分析;Ng等[7]采用碎石粧加固软基，比较了二维模 型和三维模型对于模拟碎石粧加固效果的影响； Y〇〇M建立了加筋包裹碎石粧三维有限元模型，分析 了包裹筋材对于整体加固效果的影响；Borges等[9] 建立了二维高压旋喷粧模型，分析了填土高度、粧 间距、粧体弹性模量对于高压旋喷粧加固效果的 影响。

对于通车后路基处理方面的研究相对较少，Ka­rim 等™ 提出了运用弹黏塑性土体参数模型模拟土 体的长期变形;部金峰等[11]采用扩孔理论详细研究 了注浆的力学机理，给出了注浆加固的力学模型;顾 红伟等[12]根据实际工程案例，进行了高压旋喷粧加 固技术与逐年加铺沥青技术处理费用比较，得出前 者处理费用更低，效果更好；吕若冰等[1314]进行了高 压旋喷粧现场试验研究，并运用PLAXIS建立了二 维有限元模型，分析了注浆压力对于加固效果的影 响，然而二维模型并不能反映土体的真实情况，并且 该模型未考虑运营期以及旋喷粧参数变化对于加固 效果的影响。

笔者结合江苏连盐高速公路软土地基，基于高 压旋喷粧技术加固实际工程案例，采用ABAQUS建 立三维有限元模型，研究高压旋喷粧技术加固机理， 揭示公路运营时间、高压旋喷粧粧长、粧径、粧间距 以及粧体弹性模量对于加固效果的影响规律。

1

1.1

现场试验

工程概况

以江苏省沿海高速公路灌云二标段(K8 + 970〜 K9 + 000)为研究背景，该试验路段分布有较厚的淤 泥质黏土层，层厚达到了 6〜12 m，具体路基土体属 性见图1。该路段从2006年10月通车以来，沉降一 直没有稳定，每年新增沉降量达到5〜10 cm，为了保 证高速公路通行质量，每年都需要加铺沥青，2007— 2012年加铺厚度分别为7. 5、6. 3、4. 85、5. 5、7、6 cm。如果不进行加固处理，那么每年还会继续固结 沉降，如图2,到加固处理时刻，还会造成十几cm的 沉降，如果再考虑每年沥青层加铺厚度，每年造成的 路面沉降将会更多。

图1路基土体性质

粧采用强度为42. 5的普硅水泥，掺灰量250 kg/m。 处理完毕后，引孔路堤段和路面结构层用水泥浆回 填，高压旋喷粧处治完成后，对路面沥青结构进行重 新洗刨铺设。

1.2仪器布置

为了研究高压旋喷粧加固路基的效果，布置了 一系列观测仪器，具体位置见图3。观测仪器包括： 1)沉降钉，位于路面中部和路面边缘处，用于测量路 面的竖直沉降;2)孔压计，布置于路面边缘处，其埋 设深度分别为路基下8、13以及23 m，主要用于测量 孔隙水压力变化;3)斜测仪，布置于离路堤坡脚1 m 处，用其测量土体的水平位移。所有的观测仪器在 高压旋喷粧加固施工前布设完成，观测从加固施工 开始后开始，持续时间共420 d。

2013年9月采用竖向小直径引孔高压旋喷粧技

术进行加固处理，采用双重管施工方法，处理长度为

30 m，引孔直径为150 mm，旋喷粧长度为16 m，直 径为600 mm，间距为1. 8 m，采用正方形布粧，旋喷

第13期田攀，等:高压旋喷粧对现役高速公路的加固效果分析

1545

取为0. 9 m。

2. 2模型参数

高压旋喷粧室内无侧限抗压强度试验指出，其

28 d无侧限抗压强度平均值为4. 34 MPa，KaUSch- inger等[15]指出，高压旋喷粧弹性模量与无侧限抗压 强度的关系为

互=30 〜120。

图3

路堤断面以及观测仪器示意图(单位:m)

(1)

2有限元模型

式中：£为高压旋喷粧弹性模量;gu为无侧限抗压

强度。

粧体采用线弹性进行分析，弹性模量£=450 MPa，泊松比2,粧、土界面上采用无厚度接触 单元模拟。路堤、淤泥质黏土、淤泥、淤泥夹砂土和 黏土均采用理想弹塑性摩尔-库伦(Mohr-Coulomb) 模型，土体参数（c、p)均通过室内土工试验得到，具 体如图1所示。从图1可以看出，路基土体大致可以 分为4层，在不同层中虽然土体属性有波动，但为了 模型的简化，在相同属性层选取相同的土体参数(c、 0，如图1中虚线所示，同时计算中弹性模量根据土 体压缩模量换算得到，因此有限元模拟时选取的土 体参数具体值见表1。

2.1模型建立

为了真实模拟现役高速公路高压旋喷粧加固处 理效果，采用ABAQUS软件建立三维模型进行分 析，因模型纵向、横向具有对称性，选取1/4区域进 行模拟。地基深度为25 m，路堤高度为2. 9 m，半副 路面宽度为17. 5 m，坡度为1 : 1. 5,为消除边界效 应影响，取模型宽度为3倍半副路堤宽度，即所建模 型总宽度为68. 4 m。由于旋喷粧具有对称性，只选 取1/2粧单元进行模拟，因此模型沿路基纵向长度

表1有限元模型参数

土层路堤

淤泥质黏土淤泥淤泥夹亚砂土

黏土

密度/

(g • cm—3)

2. 01. 65

厚度/m

2. 910735

E/MPa202. 074. 475. 674. 47

泊松比

0. 30. 350. 350. 350. 35

cl

(kN • m-2)

308. 810. 313. 111. 5

cp/C)

283. 014. 116. 715. 6

kw/

(1〇—7cm • s—

02. 810. 8263. 963. 62

初始孔隙比

1. 8

2. 0

1. 93

1. 33

0. 970. 76

1. 9

2.3荷载作用形式

为了真实地模拟路堤的工况，展示运营期路基 应力、应变的变化情况，所建模型从路堤施工期开始 模拟，路堤实际的施工期为3个月，为了简化模拟路 堤填筑过程，采用3个月内线性填筑进行模拟。模 型中考虑每年加铺沥青的影响，把加铺沥青的厚度 等效为面荷载，施加于路堤表面，沥青的密度取为 2. 2 g/cm3。模型中考虑了交通荷载的影响，为了提 高运算速度，把交通荷载简化为静荷载，取为15 kN/ m2。另外，本文未模拟高压旋喷粧施工过程。

0.9

2.4网格尺寸选择

为了更加精确地模拟实际情况，对比了网格尺 寸对于数值模拟的影响，采用了 2种网格划分形式 (图4)。图4(a)中路基沿z轴方向采用统一的单元 大小，均为1 m，粧周土体与粧体衔接处并未设置过 渡层(第1种）；图4(b)中路基在不同属性土层衔接 处采用较密网格，路基沿％轴最密处尺寸为〇. 5 m， 最宽处取为1. 5 m，粧周土体采用渐进的网格划分形

(b)第2种形式

图4 2种有限元网格划分形式(单位:m)

1546

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第12卷

式，越靠近粧体，网格划分越密，最密处取为〇. 2 m(第2种）。

图5为有限元模型模拟的加固后路面沉降 对比。从图5可知，第1种和第2种网格划分的沉降 差值约为1 mm，约占总沉降的5%，说明第2种网格 已经满足工程计算的精度要求，因此选取第2种网 格划分形式进行模拟计算。

固处理以后，路基中土体水平位移随着时间的增加

而增大。对比实测水平位移与模拟水平位移，可以 发现位于一3 m以下部分基本符合变化规律3 m以上模拟值与实测值存在较大差异，经过分析得 出，该部分差异可能是由于一3 m以上部分受高压 旋喷粧加固施工的扰动影响较大，从而造成实测上 部水平位移较大，而数值模拟并未考虑该因素的影 响，所以造成一3 m以上部分实测值与模拟值存在

，一

3

模型验证

为了验证所建模型的合理性，根据试验段中

K8+990断面实测路面数据沉降值和水平位移值， 对所建模型的合理性进行了讨论。3.1现场实测路面沉降与有限元模拟值对比分析

图6为路面沉降对比。由图6可知，随着时间的 增加，路堤和边缘的沉降都将趋于稳定，路堤中 央的沉降约为2. 5 cm，路堤边缘约为3 cm，路堤边缘 沉降略大于路堤的沉降，可能是由于路堤边缘 不仅受土体固结沉降影响，还受到边坡滑动的影响； 对比实测值与有限元模拟值，可以发现模拟值与实 测值较为接近，但模拟值比实测值略小，经分析，可 能由于高压旋喷粧施工过程中，粧体具有形状不规 则性，实际的粧体直径并没有达到600 mm，并且粧 体不同深度的重心并没有位于1条垂直线上，从而 造成实际测量值比数值模拟值偏大。

3.2现场实测水平位移与有限元值对比分析图7为高压旋喷粧加固处理实测值与数值模

拟水平位移对比图。从图7可以看出，路基经过加

差异。

从以上分析可以看出，实测值与数值模拟值较 为接近，验证了所建模型的合理性，因此基于所建模 型及其土体参数进行了参数比较分析。

4

参数分析

为了得到高压旋喷粧处理现役高速公路的加固

效果，通过比较路面中部沉降随时间的变化，分析了 高压旋喷粧不同弹性模量、不同长度、不同直径以及 不同粧间距、面积置换率以及运营时间对于加固效 果的影响。

4.1桩体不同弹性模量

图8为高压旋喷粧处理现役高速公路中粧体弹 性模量£对于加固效果的影响。从图8可以得到， 随着高压旋喷粧弹性模量的不断增加，从300 MPa 增加到800 MPa，其路面中部的沉降将会由3 cm减 小到2. 5 cm，粧体在增加150 MPa弹性模量下，其减 少的沉降呈现减少的趋势，因此，通过增加粧体的强 度，可以提高高压旋喷粧加固效果，但是超过某一值 后，其加固效果将会不明显。

第13期田攀，等:高压旋喷桩对现役高速公路的加固效果分析

1547

4.2桩体长度

图9为高压旋喷粧处理现役高速公路中粧体长

度⑴对于加固效果的影响。

从图9可以看出，随着高压旋喷粧粧长增加，其

路面中部的沉降将会逐渐减小，同时粧长从10 m增 加到16 m，其加固效果比从16 m增加到20 m会显 著提高，而当粧长为25 m时，此时为端承型粧，其加 固效果最好，所以增加粧长，可以显著提高高压旋喷 粧的加固效果。

4.3桩体直径

图10为高压旋喷粧处理现役高速公路中粧体

直径W)对于加固效果的影响。

从图10可以得到，随着高压旋喷粧直径的 增加，其路面中部的沉降将会逐渐减小，同时直 径每增加200 mm，其路面中部沉降的减少量将 会逐渐减小，所以增加粧体直径可以增加加固效 果，但随着直径的增加，加固效果的提高程度将 会减小。

4.4桩体间距

图11为高压旋喷粧处理现役高速公路中粧间

距G)对于加固效果的影响。

从图11可以得到，随着粧体间距增加，其路 面中部沉降也将会增加，同时粧体间距从1. 2 m 增加到3 m过程中，其中部沉降增加量先减小、再 增大。

4.5面积置换率

面积置换率表示粧体断面面积与复合土体单元 面积的比值，其定义为

图12为高压旋喷粧处理现役高速公路中高压 旋喷粧长为16 m时，面积置换率对于加固效果的影响。

从图12可以看出，随着面积置换率的增加，其 加固效果越好，面积置换率从8. 7%增加到34. 8%， 路面中部沉降从3. 1 cm减小到2. 4 cm。

相同面积置换率情况下（m = 8. 7%)，对比分析 了粧直径和粧间距对加固效果的影响（图13)。从图 13可以得出，随着粧直径、粧间距的增加，其路面中 部沉降越来越小，而根据图10可知，粧直径增加，沉 降将会减小，而由图11得出，粧间距增加，路面沉降 将会增大，因此在粧长为16 m，置换率为8. 7%情况

图13桩直径与桩间距对加固效果的对比分析(m=8. 7%)

1548

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MIURA N, FUJIKAWA K, SAKAI A, et al. Field measurement of settlement in Saga airport highway

4.6运营时间

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考虑每年沥青层加铺厚度，图14比较了在不同 tion Engineering, 1995, 43(6)： 49-51.运营期后，采用直径为600 mm、粧间距为1. 8 m、粧 [2] 刘汉龙，赵明华.地基处理研究进展[J]. 土木工程学 长为16 m的高压旋喷粧处理现役高速公路的加固 报，2016, 49(1): 96-115.

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China Civil Engineering Journal, 2016, 49(1)： 96-115.

时间也相对越早。对比高压旋喷粧处理后的沉降可

(in Chinese)

知，高压旋喷粧处理2 a后，路基沉降趋于稳定，路面

[3] 杨光华，姚丽娜，姜燕，等.基于&々曲线的软土地基

下，其粧直径对加固效果的影响将会大于粧间距对

于加固效果的影响。

[参考文献](References)

[1]

也将维持不变。同时从图14可得，运营l、3、5、7a

后进行相同加固处理，其加固后固结沉降分别约为 5、4、3和2 cm，因此，采用相同的高压旋喷粧处理， 加固处理时间越早，其加固后固结沉降将会越大，所

以不同运营时间应采取不同的粧体参数进行加固

处理。

5结论

1) 采用高压旋喷粧可以有效的解决现役高速公 路长期变形沉降问题，控制其工后沉降为2〜3 cm， 满足高速公路通行要求。

2) 增加粧体弹性模量，可以提高现役高速公路 的加固效果，但当粧体强度超过某一值后，其加固效

果提高幅度减小。

3) 增加粧径和减小粧间距均可以提高加固果，但增加粧径以及减小粧间距超过某一值后，其加 固效果将不会显著增加。4) 粧长越长，其加固效果越明显，同时端承粧加 固效果最好。5) 增加粧体面积置换率可以提高加固效果，置换率为8. 7%下，粧径比粧间距对于加固效果的影

响较大。

6) 采用相同粧体参数进行处理时，加固处理时

间越早，其运营期总沉降将会越少，但加固后固结沉

降却呈现增大趋势，数值模拟结果表明:运营1、3、5、

7 a后进行相同加固处理，其加固后固结沉降分别约 为5、4,3和2 cm，所以不同运营时间应采取不同的 粧体参数进行加固处理。

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