基于温克勒假设对高速公路软土路基旋喷桩处理的应用研究
摘要：旋喷桩作为加固软基的一种方法，在软土地区广泛应用，但其加固机理的认识并不深入。从温克勒地基假设出发，对旋喷桩的加固机理进行了探讨，并提出了一个简单直观的理论分析模型。最后结合旋喷桩的工程实例，对理论模型的结论可信性做进一步的验证。
关键词:旋喷桩；复合地基；温克勒地基模型
一、前言
软土地区的高等级公路建设必须首先解决软土地基的承载力不足、压缩沉降过大、沉降稳定持续时间长等问题。实践证明，旋喷桩因为能与桩间土共同分担上部荷载并协调变形，形成复合地基，所以在增加地基强度、提高地基承载力、减少土体压缩变形等方面效果显著。但是，直到目前，有关旋喷桩复合地基承载机理的研究还处于研究阶段，许多设计和施工技术人员对旋喷桩的加固机理并没有一个清晰的认识，甚至有着错误的认识。笔者从温克勒地基假设出发，对旋喷桩的加固机理做一探讨，提供简单直观的加固机理解释。
二、基于温克勒地基假设的旋喷桩复合地基加固机理
温克勒地基假设：地基每单位面积上所受的压力与地基沉降成正比，而地基某一点的沉降仅取决于作用于该点的压力，与邻近的地基不发生任何关系；地基的受压作用正如许多彼此不相联系的弹簧受压的情况一样。如果用系数K表示温克勒地基的刚度，称之为“地基反应模量”，与挠度无关，在所考虑的面积内所有各点都是一样的。则温克勒地基可用以下公式表示：
(2-1)
式中：—地基顶面某一点的反力（Mpa）；
K—地基反应模量（Mpa/cm）；
Z—竖向挠度（cm）。
实际上，地基在横向是相互牵连和相互约束的，其中一部分受力，相邻部位也会受到影响，也将产生沉降变形。但是应当看到虽然温克勒地基低估了地基的侧向联系，却使计算结果偏于安全。
（一）无坚硬下承层情况下的旋喷桩复合地基分析
图1是旋喷桩加固后的温克勒地基示意图，K1和K2分别为旋喷桩和地基土的“弹性常数”。可以看出刚性基础下除地基土“弹簧”外，还有桩与土相连的“串联弹簧”。对于弹性常数分别为K1、K2的两个弹簧串联有：
(2-2)
式中：X1、X2——分别是两弹簧的压缩变形量；
K——串联弹簧的复合弹性常数；
P——作用于弹簧上的压力。
令旋喷桩复合地基的“弹性常数”（地基反应模量）为，复合地基上刚性基础作用有竖向力P，基础的沉降为s，取刚性基础为隔离体，则分析其受力条件：
（2-3）
整理式（2-2）及式（2-3）得：
当旋喷桩复合地基中旋喷桩没有支承于坚硬土层（不可压缩）时，式（2-4）即为复合地基反应模量的表达式。作为表征地基刚度的明显大于天然地基的反应模量。与天然地基相比，旋喷桩复合地基在相同的荷载作用下沉降减少；相同的沉降条件下能承担更大的载荷。此外，从式（2-4）和图1还可以看出，刚性基础下的复合地基沉降很大一部分发生在下卧地层。
（二）有坚硬下承层情况下的旋喷桩复合地基分析
对于旋喷桩已经支承于坚硬土层的情况，我们可以用温克勒地基模型来说明。同样，取刚性基础为隔离体分析受力有：
(2-5)
其中的含义同2.1节。
整理得：
(2-6)
从式（2-6）可以看出，由于旋喷桩的远大于软土的，支承型旋喷桩复合地基的承载力显著提高，沉降量比存在软弱下卧层的复合地基明显减少。可见旋喷桩加固软弱地基，提高承载力、减少沉降是可行的。
从上面的分析可以看出，旋喷桩的存在确实减少了软土地基的沉降，提高了地基的承载力，但这种加固作用受桩长和实际地层条件的影响很大。对于有软弱下卧层的情况旋喷桩复合地基的加固效果并不明显；而旋喷桩支承于坚硬下承层上时，则加固效果十分显著。
三、旋喷桩复合地基的工程实例
（一）工程概况
某段高速公路中有11公里的范围内分布有厚度不同的软基。该路段位于潮白河冲积平原区，现为耕地，第四系沉积层较厚，地势自西向东微倾斜。经钻探查明，场地勘探深度内所见均属第四系全新统（Q4）河流冲积夹湖积地层。以粘性土为主，间夹薄层土，偶见粉细砂。按其埋藏条件、成因，岩土特征及物理力学性质将地基土自上而下分为：粉土、粘土、粉质粘土、粉土。通过对路段各层的土层厚度、含水量、压缩系数、压缩模量等物理力学指标和承载力值进行的检测结果分析，该段路基天然地基不能满足高速公路直接路堤填筑的需要，必须进行处理。
（二）旋喷桩加固地基设计
设计采用旋喷桩的有效长度为10m，桩径为0.8m。桩排距3.46m，桩间距4m，呈梅花型布置。典型路堤段软基加固布桩方案见图2。
（三）沉降观测及加固效果评价
软基加固处理工作于1999年2月开始，随后4月份路基施工开始填土，试验监测也同时进行，监测内容主要是地表沉降和路基旁侧位移。地表沉降共设41个测点，布设原则是在软土较厚的地方布点密一些，点距30～50m，软基相对较薄的地方点距大一些，约200m。
经对对该项目处理结果进行了近十年的跟踪检测，在路基施工阶段及公路通车运营1年内监测时间间隔相对较密；通车运营1年后，监测时间间隔逐渐增大。监测数据分析结果详见图3（旋喷桩作用效果对照图）、图4（A至C合同段的测点沉降沿里程变化曲线）。
从以上这些统计数据图表中可以得出以下结论：（1）未经旋喷加固的桩号K9+500与旋喷处理的桩号K9+420两点相距仅80m，地层结构相同、填土高度基本相同，但沉降监测数据表明K9+420处沉降量远小于K9+500处，显然旋喷桩起到了减少软基沉降、提高地基承载力的作用；（2）旋喷桩加固软基与普通软基的加载沉降规律基本一致，随填土的增加，沉降增加，随时间推移，沉降趋缓。只是总沉降量小于天然软基；（3）旋喷桩加固软基的沉降大小除与软弱土层厚度有关外，还与软弱土层的下卧深度有关。其它工况条件相近的，软弱土层越厚，沉降越大；旋喷桩未穿透软弱层的复合地基沉降大，桩底支承于坚硬土层的沉降小。
四、结论
理论分析和工程实例都表明旋喷桩复合地基对于减少软弱地基的沉降，提高地基承载力有积极的作用，特别是旋喷桩直接支承于坚硬土层上时，效果十分明显。而对于存在厚的未穿透下卧软弱层的情况，是否采用旋喷桩复合地基就需做更全面的考虑了。
参考文献：
[1]邓学均，刚性路面设计，北京，人民交通出版社，1990年3月，第一版
[2]龚晓南，复合地基引论（四），地基处理，1992，3（3）
[3]马海龙，旋喷桩地基试验研究及设计方法，岩土力学，1995，16（3）
