軟土硬殼層地基上路基的處理方式作用效果分析

張志偉

（山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，山西 太原 030006）

軟土表層在降雨、日曬、化學(xué)風(fēng)化等因素的作用下，通常會(huì)形成一層幾米厚的硬殼層，硬殼層含水量和孔隙率較小，變形模量和地基承載力較大。當(dāng)公路穿越軟土硬殼層地區(qū)且路基填土較低時(shí)，可以直接在軟土硬殼層地基上填筑路基。

在硬殼層上直接填筑的路基，必須充分考慮軟土的固結(jié)，控制路基的工后不均勻沉降。如果軟土地基不經(jīng)處理而在其上直接填筑路基，需要一定的理論支撐，必須保證地基的穩(wěn)定性，選擇恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸绞剑瑢?duì)于減少工程造價(jià)提高工作效率有很大幫助。

堆載預(yù)壓和反壓護(hù)道是兩種常見的地基處理方式，本文借助有限元軟件對(duì)兩種地基處理方式進(jìn)行模擬，分析兩種地基處理方式的作用效果（圖1）。

圖1 有限元模擬

1 堆載預(yù)壓

堆載預(yù)壓的目的是加速地基內(nèi)孔隙水的排除使土體固結(jié)，通常是用土、砂等重物對(duì)地基施加預(yù)壓荷載[1]。

堆載預(yù)壓必須考慮地基的穩(wěn)定性，通常認(rèn)為地基豎向變形每天不超過10 mm，地基側(cè)向變形每天不超過4 mm，因此預(yù)壓填土一般采用分級(jí)加載，并進(jìn)行豎向變形、孔隙水壓力觀測(cè)。

路基頂面的不均勻沉降直接影響路面質(zhì)量，試驗(yàn)段觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示：經(jīng)堆載預(yù)壓處理后，路堤頂面的不均勻沉降明顯變小。為了進(jìn)一步分析堆載預(yù)壓對(duì)地基工后沉降的影響，用ABAQUS有限元軟件模擬施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 堆載預(yù)壓與直接填筑路基路堤頂面工后沉降比較

從圖2可以看出，有預(yù)壓路堤頂面不均勻沉降明顯小于無預(yù)壓的路堤頂面沉降，預(yù)壓有利于減小路面工后不均勻沉降。但是如果預(yù)壓填土過高，硬殼層底面會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，將破壞硬殼層穩(wěn)定性，如圖3，不同填土高度時(shí)，硬殼層與軟土交界面上最大主應(yīng)力變化情況，可以看出，當(dāng)填土高度超過2 m，硬殼層底面將出現(xiàn)拉應(yīng)力。圖4為預(yù)壓土卸載后，地基的豎向位移變化，可以看出預(yù)壓土加速了軟土的固結(jié)，預(yù)壓期內(nèi)，排水固結(jié)基本完成。

圖3 填土高度對(duì)硬殼層內(nèi)最大主應(yīng)力影響

圖4 地基與路堤頂面隨時(shí)間位移變化

以上分析可知，在硬殼層上直接填筑路基時(shí)，地基通過堆載預(yù)壓處理后，軟土固結(jié)基本完成，可以減小地基工后沉降，但是必須考慮到硬殼層的整體性，預(yù)壓土不能太高，當(dāng)路基填土較低且工期較長(zhǎng)時(shí)，可以考慮堆載預(yù)壓。

2 反壓護(hù)道

反壓護(hù)道就是在路堤兩側(cè)填筑一定高度和寬度土體，能有效防止地基的剪切，使路堤下的軟基向兩側(cè)隆起的趨勢(shì)得到平衡。采用反壓護(hù)道加固地基，施工簡(jiǎn)易方便，但是用地多，用土多。為了進(jìn)一步分析反壓護(hù)道對(duì)地基穩(wěn)定性和沉降的影響，用ABAQUS有限元軟件模擬施工現(xiàn)場(chǎng)。

a）在硬殼層上直接填筑的路基，反壓護(hù)道并未加大地基的總沉降（圖5），這是因?yàn)橛矚拥陌弩w效應(yīng)發(fā)揮了充分作用，反壓護(hù)道還可以減小路堤頂面的不均勻沉降（圖6）。

圖5 反壓護(hù)道對(duì)地基總沉降量的影響

圖6 反壓護(hù)道對(duì)路堤頂面工后沉降的影響

b）從圖7、圖8、圖9、圖10可以看出，反壓護(hù)道改變了軟土地基中的應(yīng)力分布，提高了路堤填土的臨界高度。

圖7 無反壓護(hù)道填土高度對(duì)硬殼層內(nèi)最大主應(yīng)力影響

圖8 反壓護(hù)道2.6 m時(shí)填土高度對(duì)硬殼層內(nèi)最大主應(yīng)力影響

圖9 反壓護(hù)道1.6 m時(shí)填土高度對(duì)硬殼層內(nèi)最大主應(yīng)力影響

圖10 反壓護(hù)道1.1 m時(shí)填土高度對(duì)硬殼層內(nèi)最大主應(yīng)力影響

圖11 硬殼層內(nèi)最大主應(yīng)力隨反壓護(hù)道高度變化

從圖11可以看出，反壓護(hù)道過低（1 m）時(shí)，其對(duì)硬殼層內(nèi)應(yīng)力分布影響較小，反壓護(hù)道過高（2.5 m）時(shí)，其對(duì)硬殼層內(nèi)應(yīng)力影響過大，只有當(dāng)反壓護(hù)道高度適中時(shí)，才能使硬殼層內(nèi)應(yīng)力分布均勻，能夠填筑更高的路基。因此，填筑前須確定反壓護(hù)道最佳高度。

3 結(jié)論

a）在硬殼層上直接填筑路基時(shí)，地基通過堆載預(yù)壓處理后，軟土固結(jié)基本完成，可以減小地基工后沉降，但是必須考慮到硬殼層的整體性，預(yù)壓土不能太高，當(dāng)路基填土較低且工期較長(zhǎng)時(shí)，可以考慮堆載預(yù)壓。

b）反壓護(hù)道過低時(shí)，其對(duì)硬殼層內(nèi)應(yīng)力分布影響較小，反壓護(hù)道過高時(shí)，其對(duì)硬殼層內(nèi)應(yīng)力影響過大，只有當(dāng)反壓護(hù)道高度適中時(shí)，才能使硬殼層內(nèi)應(yīng)力分布均勻，能夠填筑更高的路基。因此，填筑前須確定反壓護(hù)道最佳高度。