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摘 要：公路建设往往不可避免的遇到软弱土地质。必须进行处理以保证路堤在施工和运营期间的稳定性。鉴于此，笔者首先总结了软土的工程性质及处治原则，随后分析了水泥搅拌桩的对软土的加固机理和沉降计算方法，最后利用有限元软件ANSYS建立计算模型，探讨了桩长对软土地基沉降的影响效果，研究成果可为类似的软土地基设计提供科学指导。
关键词：有限元;软土地基;水泥搅拌站;处治效果
中图分类号：U416.1 文献标识码：A
0 引言
经过多年的快速发展，基础交通设施网络基本成型，公路工程建设规模也逐年增大。我国软土分布较为广泛，公路建设里程长，往往不可避免的遇到软弱土地质。在软弱土层修建公路路基容易出现边坡失稳、溜塌、路面纵向裂缝等病害，因此在处理软土地基时首先要保证路堤在施工和运营期间的稳定性[1]。目前国内外工程人员在开展软土地基处理时往往是基于工程类比法，参考以往项目的建设经验，可能造成一定程度的资源浪费。因此，研究水泥土搅拌桩在软基中处理效果具有十分重要的工程意义。
1 软土处治原则
水泥搅拌桩具有施工速度快、承载力高、造价低等特点，在软土地基处治中得到了广泛应用。但是地基所处位置存在较多孤石或坚硬土层等，水泥搅拌桩不适用。
水泥搅拌桩在实际设计时应根据地勘资料进行桩参数（桩长、桩间距）的优化，并遵循以下原则：
（1）满足规范：规范是开展软土地基设计的依据，必须确保一般路基段、涵洞及通道路段、桥头路基短的软基沉降小于规范中的沉降控制标准，如表1所示[2]：
表1 软土地基沉降控制标准
设计标准 单位 参数
工后沉降 一般路段 mm 30
涵洞及通道路段 mm 20
桥头路段 mm 10
（2）经济性：设计人员应当在确保软土地基工后沉降的基础上，对不同桩参数的复合地基开展经济性必选，选择性价比高的桩长和桩间距。
（3）方便施工：水泥搅拌桩的尺寸要确保施工的可行性，不得严重影响施工工期，比如桩长不能过长，桩间距不能过小。
2 水泥搅拌桩加固机理和沉降计算方法
2.1 水泥搅拌桩加固机理
水泥搅拌桩对软土地基的加固机理可从微观和宏观两个方面去分析，前者主要是指固化剂与软土之间的化学反应，改变了原状土结构，使软土硬化，整体性和水稳定性有明显提高;后者主要指水泥搅拌桩的整体作用机制，即软土地基与水泥搅拌桩形成复合地基，提高软弱土承載力、降低其沉降变形，各种加固机理具体阐述如下[3]。
（1）碳酸化作用。水泥固化物中的氢氧化钙会吸收水和空气中的CO2，发生化学反应生成CaCO3，化学反应方程式如下，而CaCO3通常是不溶于水的，离子浓度不断增加，使得碳酸化反应速度逐渐变慢，直到停止。
Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O
水泥固化物碳酸化反应对土体的增强作用主要体现在两个方面：一方面，水泥中的若干矿物质消耗土体中的水分反应，形成硬骨架，提高土体强度;另一方面，水泥中的水化产物和土颗粒相互吸附，土颗粒逐渐增大，最终产生强度较高的化合物。
（2）承载力加强和降低沉降机理。水泥搅拌桩会和软土共同形成复合地基，复合地基可以划分成加固区地基与非加固区地基，此时水泥搅拌桩可以视作符合地基中的增加体。
在外部荷载作用下，地基中的水会排出，超孔隙水压力会不断消散。而水泥搅拌桩一般透水性较好，可作为排水通道，以缩短了排水距离，加快软弱土的固结，从而提高土体的有效应力和有效抗剪强度。
水泥搅拌桩的存在还会提高土体复合模量，而模量与土体抗变形能力成正比，即模量越大，土体的抗变形能力越强。在相同附加应力作用下，复合地基压缩变形会比未处理的软弱土有大幅减小。
2.2 水泥搅拌桩复合地基沉降计算
水泥搅拌桩复合地基沉降由两部分组成：桩体压缩量和桩端持力层的压缩量。复合地基沉降计算方法主要有压缩模量法。
压缩模量法计算沉降就是将水泥搅拌桩复合地基的加固区和非加固区视为整体，计算模量是采用复合地基当量压缩模量，再利用分层总和法求出沉降，计算步骤为：地基土分层（根据厚度、地下水等）→计算土层当量压缩模量→计算土层附加应力→计算各层土的沉降并求和得到总沉降。
式中：Hi—第i层土分层厚度，m;—第i层土附加应力，MPa;—第i层土当量压缩模量，MPa。其中压缩模量的计算与地基压力扩散密切相关。
水泥搅拌桩复合地基沉降计算后，还要进行加固区软弱下卧层承载力的验算，计算方法采用应力扩散法，计算公式如下：
式中：—软弱下卧层顶面附加应力，kPa;—软弱下卧层顶面附加应力，kPa;—软弱下卧层顶面地基承载力修正值，kPa。
3 基于ANSYS软件的水泥搅拌桩复合地基计算
3.1 工程概括
为了准确分析处理搅拌桩对软弱土地基的加固效果，笔者以某高速公路项目为依托，利用有限元软件ANSYS15.0建立计算模型，分析了软弱土加固前后的沉降变化规律，以评价水泥搅拌桩的处理效果。
该高速公路路线全长36公里、路基宽度27 m、双向四车道、设计速度120 km/h，沿线存在大面积的软土地基，设计人员拟采用水泥搅拌桩加固处理，水泥搅拌桩设计参数为：水泥搅拌桩的直径为0.5 m，采用正三角形布置，桩间距为1.2 m，桩长为变量，至少应穿透软弱土层。桩平面布置时，在锥坡坡脚、路堤坡脚等边界线外增加一排。 3.2 软土路基有限元模型建立
（1）简化条件。为了提高计算效率，水泥搅拌桩复合地基时的参数需要进行适当简化。比如水泥搅拌桩和周围土体都视作弹塑性体，屈服准则采用摩尔库伦理论;比如忽略水泥搅拌桩施工期间的机械设备、人员、临时荷载等因素。
（2）模型建立。为了提高计算的精确度，ANSYS软件建立复合地基模型時均采用实际设计尺寸，桩基、桩周土体及网格划分采用SOLID45 八结点实体单元[4]，并对地基土表面的单位格尺寸进行适当加密，网格尺寸取0.5 m，其它位置网格尺寸取1 m，共划分出单元3 826个，节点总数为4 218个，如图1所示。
（3）边界条件。模型计算过程中对软土地基的左右边界的X方向进行约束，前后边界的Y方向进行约束，底面进行X、Y、Z三个方向的全约束，顶面为自由边界，可以向任意方向发生变形[5]。
3.3 复合地基沉降计算结果分析
桩长是水泥搅拌桩复合地基计算时的重要参数，笔者分别取桩长5 m、8 m、10 m、15 m、20 m来探讨了桩长对软弱土地基沉降的影响，计算结果见图2：
计算结果表明：天然状态下的软土地基工后沉降为360 mm，使用水泥搅拌桩处治后，其沉降变形会明显降低。在相同荷载作用下，随着水泥搅拌桩桩长的增加，地基沉降会降低，但是当桩长超过10 m，复合地基的沉降就基本不再变化，这个长度就是水泥搅拌桩的有效加固长度。
4 结语
本文利用有限元软件ANSYS详细探讨了软土地基的工程特征、水泥搅拌桩的加固机理和加固效果，主要得到以下几方面结论：（1）水泥搅拌桩在软土地基处治中应用广泛，但不适用于存在较多孤石或坚硬土层区域。（2）水泥搅拌桩设计时应结合地勘资料进行桩长、桩间距优化，并遵循因地制宜、经济性、方便施工等原则。（3）水泥土搅拌桩对软土地基的加固机理可从微观和宏观两个方面去分析，即固化剂与软土之间的化学反应、水泥搅拌桩的整体作用机制。（4）随着桩长的增加，水泥搅拌桩对软土地基的加固效果变好，但当桩长超过某一临界高度后沉降基本不再变化。
参考文献：
[1]赵霄.高速公路工程施工中软土地基处理技术研究[J].工程建设与设计，2021（13）：208-210.
[2]郝明锋.高等级公路软土地基处理关键技术及应用研究[J].交通世界，2021（18）：116-117+127.
[3]张杰.浅谈公路工程中软土路基设计及施工阶段的标准[J].黑龙江水利科技，2018（3）：65-66.
[4]毛少波.公路设计中软土路基处理技术的研究与实际应用[J].四川建材，2020（8）：108+135.
[5]温广军，杨余明，石川.浅谈高速公路沟塘路段软基处理方案设计[J].工程与建设，2018（4）：561-564.
关键词：有限元;软土地基;水泥搅拌站;处治效果
中图分类号：U416.1 文献标识码：A
0 引言
经过多年的快速发展，基础交通设施网络基本成型，公路工程建设规模也逐年增大。我国软土分布较为广泛，公路建设里程长，往往不可避免的遇到软弱土地质。在软弱土层修建公路路基容易出现边坡失稳、溜塌、路面纵向裂缝等病害，因此在处理软土地基时首先要保证路堤在施工和运营期间的稳定性[1]。目前国内外工程人员在开展软土地基处理时往往是基于工程类比法，参考以往项目的建设经验，可能造成一定程度的资源浪费。因此，研究水泥土搅拌桩在软基中处理效果具有十分重要的工程意义。
1 软土处治原则
水泥搅拌桩具有施工速度快、承载力高、造价低等特点，在软土地基处治中得到了广泛应用。但是地基所处位置存在较多孤石或坚硬土层等，水泥搅拌桩不适用。
水泥搅拌桩在实际设计时应根据地勘资料进行桩参数（桩长、桩间距）的优化，并遵循以下原则：
（1）满足规范：规范是开展软土地基设计的依据，必须确保一般路基段、涵洞及通道路段、桥头路基短的软基沉降小于规范中的沉降控制标准，如表1所示[2]：
表1 软土地基沉降控制标准
设计标准 单位 参数
工后沉降 一般路段 mm 30
涵洞及通道路段 mm 20
桥头路段 mm 10
（2）经济性：设计人员应当在确保软土地基工后沉降的基础上，对不同桩参数的复合地基开展经济性必选，选择性价比高的桩长和桩间距。
（3）方便施工：水泥搅拌桩的尺寸要确保施工的可行性，不得严重影响施工工期，比如桩长不能过长，桩间距不能过小。
2 水泥搅拌桩加固机理和沉降计算方法
2.1 水泥搅拌桩加固机理
水泥搅拌桩对软土地基的加固机理可从微观和宏观两个方面去分析，前者主要是指固化剂与软土之间的化学反应，改变了原状土结构，使软土硬化，整体性和水稳定性有明显提高;后者主要指水泥搅拌桩的整体作用机制，即软土地基与水泥搅拌桩形成复合地基，提高软弱土承載力、降低其沉降变形，各种加固机理具体阐述如下[3]。
（1）碳酸化作用。水泥固化物中的氢氧化钙会吸收水和空气中的CO2，发生化学反应生成CaCO3，化学反应方程式如下，而CaCO3通常是不溶于水的，离子浓度不断增加，使得碳酸化反应速度逐渐变慢，直到停止。
Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O
水泥固化物碳酸化反应对土体的增强作用主要体现在两个方面：一方面，水泥中的若干矿物质消耗土体中的水分反应，形成硬骨架，提高土体强度;另一方面，水泥中的水化产物和土颗粒相互吸附，土颗粒逐渐增大，最终产生强度较高的化合物。
（2）承载力加强和降低沉降机理。水泥搅拌桩会和软土共同形成复合地基，复合地基可以划分成加固区地基与非加固区地基，此时水泥搅拌桩可以视作符合地基中的增加体。
在外部荷载作用下，地基中的水会排出，超孔隙水压力会不断消散。而水泥搅拌桩一般透水性较好，可作为排水通道，以缩短了排水距离，加快软弱土的固结，从而提高土体的有效应力和有效抗剪强度。
水泥搅拌桩的存在还会提高土体复合模量，而模量与土体抗变形能力成正比，即模量越大，土体的抗变形能力越强。在相同附加应力作用下，复合地基压缩变形会比未处理的软弱土有大幅减小。
2.2 水泥搅拌桩复合地基沉降计算
水泥搅拌桩复合地基沉降由两部分组成：桩体压缩量和桩端持力层的压缩量。复合地基沉降计算方法主要有压缩模量法。
压缩模量法计算沉降就是将水泥搅拌桩复合地基的加固区和非加固区视为整体，计算模量是采用复合地基当量压缩模量，再利用分层总和法求出沉降，计算步骤为：地基土分层（根据厚度、地下水等）→计算土层当量压缩模量→计算土层附加应力→计算各层土的沉降并求和得到总沉降。
式中：Hi—第i层土分层厚度，m;—第i层土附加应力，MPa;—第i层土当量压缩模量，MPa。其中压缩模量的计算与地基压力扩散密切相关。
水泥搅拌桩复合地基沉降计算后，还要进行加固区软弱下卧层承载力的验算，计算方法采用应力扩散法，计算公式如下：
式中：—软弱下卧层顶面附加应力，kPa;—软弱下卧层顶面附加应力，kPa;—软弱下卧层顶面地基承载力修正值，kPa。
3 基于ANSYS软件的水泥搅拌桩复合地基计算
3.1 工程概括
为了准确分析处理搅拌桩对软弱土地基的加固效果，笔者以某高速公路项目为依托，利用有限元软件ANSYS15.0建立计算模型，分析了软弱土加固前后的沉降变化规律，以评价水泥搅拌桩的处理效果。
该高速公路路线全长36公里、路基宽度27 m、双向四车道、设计速度120 km/h，沿线存在大面积的软土地基，设计人员拟采用水泥搅拌桩加固处理，水泥搅拌桩设计参数为：水泥搅拌桩的直径为0.5 m，采用正三角形布置，桩间距为1.2 m，桩长为变量，至少应穿透软弱土层。桩平面布置时，在锥坡坡脚、路堤坡脚等边界线外增加一排。 3.2 软土路基有限元模型建立
（1）简化条件。为了提高计算效率，水泥搅拌桩复合地基时的参数需要进行适当简化。比如水泥搅拌桩和周围土体都视作弹塑性体，屈服准则采用摩尔库伦理论;比如忽略水泥搅拌桩施工期间的机械设备、人员、临时荷载等因素。
（2）模型建立。为了提高计算的精确度，ANSYS软件建立复合地基模型時均采用实际设计尺寸，桩基、桩周土体及网格划分采用SOLID45 八结点实体单元[4]，并对地基土表面的单位格尺寸进行适当加密，网格尺寸取0.5 m，其它位置网格尺寸取1 m，共划分出单元3 826个，节点总数为4 218个，如图1所示。
（3）边界条件。模型计算过程中对软土地基的左右边界的X方向进行约束，前后边界的Y方向进行约束，底面进行X、Y、Z三个方向的全约束，顶面为自由边界，可以向任意方向发生变形[5]。
3.3 复合地基沉降计算结果分析
桩长是水泥搅拌桩复合地基计算时的重要参数，笔者分别取桩长5 m、8 m、10 m、15 m、20 m来探讨了桩长对软弱土地基沉降的影响，计算结果见图2：
计算结果表明：天然状态下的软土地基工后沉降为360 mm，使用水泥搅拌桩处治后，其沉降变形会明显降低。在相同荷载作用下，随着水泥搅拌桩桩长的增加，地基沉降会降低，但是当桩长超过10 m，复合地基的沉降就基本不再变化，这个长度就是水泥搅拌桩的有效加固长度。
4 结语
本文利用有限元软件ANSYS详细探讨了软土地基的工程特征、水泥搅拌桩的加固机理和加固效果，主要得到以下几方面结论：（1）水泥搅拌桩在软土地基处治中应用广泛，但不适用于存在较多孤石或坚硬土层区域。（2）水泥搅拌桩设计时应结合地勘资料进行桩长、桩间距优化，并遵循因地制宜、经济性、方便施工等原则。（3）水泥土搅拌桩对软土地基的加固机理可从微观和宏观两个方面去分析，即固化剂与软土之间的化学反应、水泥搅拌桩的整体作用机制。（4）随着桩长的增加，水泥搅拌桩对软土地基的加固效果变好，但当桩长超过某一临界高度后沉降基本不再变化。
参考文献：
[1]赵霄.高速公路工程施工中软土地基处理技术研究[J].工程建设与设计，2021（13）：208-210.
[2]郝明锋.高等级公路软土地基处理关键技术及应用研究[J].交通世界，2021（18）：116-117+127.
[3]张杰.浅谈公路工程中软土路基设计及施工阶段的标准[J].黑龙江水利科技，2018（3）：65-66.
[4]毛少波.公路设计中软土路基处理技术的研究与实际应用[J].四川建材，2020（8）：108+135.
[5]温广军，杨余明，石川.浅谈高速公路沟塘路段软基处理方案设计[J].工程与建设，2018（4）：561-564.