有無(wú)側(cè)限條件下公路軟基堆載預(yù)壓對(duì)比研究

聶志林，劉 杰，劉 庭，劉豐瑋

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

有無(wú)側(cè)限條件下公路軟基堆載預(yù)壓對(duì)比研究

聶志林，劉 杰，劉 庭，劉豐瑋

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為降低堆載預(yù)壓排水固結(jié)對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，提出了側(cè)限堆載預(yù)壓控制技術(shù)?；贔LAC3D有限元分析軟件建立有無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓排水固結(jié)模型，將無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的合理性與可行性，探討了有無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓的差異。研究結(jié)果表明：側(cè)限控制技術(shù)能有效降低軟土地基沉降、加快前期固結(jié)速率；同時(shí)側(cè)限位置離堆載預(yù)壓區(qū)邊緣越近，側(cè)限效果越好。

側(cè)限；公路軟基；堆載預(yù)壓；沉降

0 引言

軟土地基是一種特殊性巖土地基，一般在靜水或緩慢流水的環(huán)境下沉積形成，大多分布在我國(guó)沿海地區(qū)，洞庭湖、洪澤湖、太湖、鄱陽(yáng)湖以及昆明滇池等地區(qū)也分布有湖相沉積內(nèi)陸軟土[1-2]。由于軟土地基具有壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、透水性差等特點(diǎn)，所以在軟土地基上修建公路，必須考慮公路路基的變形和穩(wěn)定問(wèn)題。

歷年來(lái)，眾多學(xué)者針對(duì)軟土地基的處理總結(jié)了多種應(yīng)用方法，如換填法、加筋法、置換法、排水固結(jié)法等。然而在實(shí)際工程中，往往出現(xiàn)土體的側(cè)向擠出變形，導(dǎo)致土體不均勻沉降，周邊相鄰建筑物傾斜等問(wèn)題。彭宇一等[3]通過(guò)對(duì)高速公路軟土路基側(cè)向變形的研究，分析了側(cè)向變形的特點(diǎn)，側(cè)向變形對(duì)路基穩(wěn)定的影響以及控制側(cè)向變形的措施，指出了目前對(duì)側(cè)向變形監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中存在和應(yīng)注意的問(wèn)題。N. Loganathan等[4-5]系統(tǒng)分析了側(cè)向位移對(duì)路基沉降的影響，并定量給出了路基沉降與側(cè)向位移的關(guān)系。李國(guó)維等[6]基于三軸蠕變?cè)囼?yàn)和平面應(yīng)變?nèi)渥冊(cè)囼?yàn)結(jié)果，研究了路堤下深厚的海相沉積軟土側(cè)向變形對(duì)沉降的影響。陳繼彬等[7]依據(jù)四川省遂-資（遂寧至資陽(yáng)）高速公路軟基沉降變形觀測(cè)的結(jié)果，探討了西南地區(qū)軟土路基經(jīng)塑料排水板(PVD)、碎石樁處理后，路基側(cè)向變形隨深度、最大側(cè)向變形增量與地表沉降增量、平均側(cè)向變形量與地表沉降量的變化規(guī)律。

本文基于FLAC3D有限元分析軟件建立有無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓模型，來(lái)對(duì)比研究有無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓排水固結(jié)的差異，探討側(cè)限設(shè)置位置對(duì)地基沉降的影響。

1 側(cè)限堆載預(yù)壓技術(shù)

為限制軟土在預(yù)壓荷載作用下的側(cè)向擠出，降低堆預(yù)壓對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，提出了側(cè)限堆載預(yù)壓技術(shù)，即在堆載預(yù)壓區(qū)邊緣通過(guò)水泥攪拌樁相互搭接，形成限制軟土側(cè)向擠出的格柵狀水泥土墻,如圖1所示。水泥土墻的深度及寬度由水泥土墻的穩(wěn)定性、軟土厚度、不透水層的埋藏深度等綜合確定。此技術(shù)的作用是：1）側(cè)限作用。通過(guò)設(shè)置水泥土墻，限制軟土側(cè)向擠出，降低堆載預(yù)壓對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。2）隔離作用。對(duì)于地下水位較高的場(chǎng)地，采用水泥土墻將堆載區(qū)與非堆載區(qū)隔離開(kāi)來(lái)，阻斷或延長(zhǎng)地下水的滲透路徑，避免非堆載區(qū)地下水位大幅度降低導(dǎo)致周邊環(huán)境產(chǎn)生較大沉降及不均勻沉降。

圖1 側(cè)限技術(shù)示意圖Fig. 1 A sketch map of lateral restraint technology

2 工程概況

媽祖城核心區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)項(xiàng)目[8]地處福建省莆田市忠門(mén)半島東南媚洲灣畔，施工的填砂總量約32.3萬(wàn)m3；填海造地面積約341萬(wàn)m2，充填砂總量約1 430萬(wàn)m3。

2.1 工程地質(zhì)地貌

湄洲灣受地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制，呈西北高，東南低的地勢(shì)。文甲貿(mào)易碼頭北依陸地，南面臨海，由北向南逐漸向海中傾斜。本工程填海造地面積較大，工程區(qū)域的地基土層主要由軟土組成，包括淤泥質(zhì)黏土層A、粉質(zhì)黏土層B、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層C及部分含泥中砂。地基軟土層的厚度分布不均，軟土?xí)r代不明，軟土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

為提高地基承載能力，采用堆載預(yù)壓加豎向排水板技術(shù)進(jìn)行加固，塑料排水板長(zhǎng)度為7 m，其中2.5 m位于吹填砂內(nèi)。為了控制固結(jié)速率，采用分期堆載，堆載高度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。

表1 軟土層主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Major physical and mechanical parameters of the soft soil

圖2 堆載高度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig. 2 Relation curve of load height and time

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選取PXK1+000觀測(cè)點(diǎn)的沉降值進(jìn)行分析。持續(xù)觀測(cè)332 d，累計(jì)沉降269 mm。

現(xiàn)場(chǎng)需要將2.5 m高砂墊層填完后再插入塑料排水板，因此現(xiàn)場(chǎng)記錄下的堆載—沉降曲線是在2.5 m砂墊層吹填完后監(jiān)測(cè)的結(jié)果。堆載高度、沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 堆載高度、沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig. 3 Relation curves of load height, settlement and time

3 數(shù)值分析

結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的橫斷面PXK1+000為建模的參考面，巖層層頂埋深為13 m。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，通過(guò)李豪的方法[9]將塑料排水板的地基土層參數(shù)等效成滲透系數(shù)較大的天然地基土層。數(shù)值模擬計(jì)算的土層參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬各土層計(jì)算參數(shù)Table 2 Parameters of the soil layers in numerical simulation

考慮到堆載預(yù)壓的影響范圍，半模型的計(jì)算寬度X方向取60.0 m，其中25.5 m為堆載預(yù)壓區(qū)；根據(jù)巖層的埋深，13.0 m以下為剛性層，計(jì)算深度Z方向取13.0 m；計(jì)算長(zhǎng)度Y方向取單位長(zhǎng)度。模型范圍如圖4所示，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖4 模型范圍示意圖Fig. 4 A sketch map of the model range

圖5 沉降-時(shí)間曲線Fig. 5 Settlement-time curves

由圖5可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際沉降結(jié)果前期吻合較好，后期偏差較大。主要原因是，一方面數(shù)值模擬時(shí)地基土的滲透系數(shù)取值為常量，而實(shí)際情況是滲透系數(shù)隨著堆載時(shí)間增加而減小；另一方面現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工過(guò)程與數(shù)值模擬的加載過(guò)程存在一定的差異。

4 有無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓對(duì)比研究

為了對(duì)比有無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓排水固結(jié)技術(shù)，數(shù)值模擬模型如圖6所示，數(shù)值模擬各土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。堆載預(yù)壓高度為7.0 m，重度16.30 kN/m3。模型計(jì)算寬度X方向取74.0 m，其中24.0 m為堆載預(yù)壓區(qū)；假設(shè)13.0 m以下為剛性層，因此模型計(jì)算深度Z方向取13.0 m；計(jì)算長(zhǎng)度Y方向取單位長(zhǎng)度。

圖6 數(shù)值模擬范圍示意圖Fig. 6 Schematic diagram of pile loading model

堆載時(shí)，為了防止堆載在填筑過(guò)程中因地基承載力不足而發(fā)生穩(wěn)定性破壞，因此采用分級(jí)堆載，堆載總高度為7.0 m。堆載過(guò)程如圖7所示。

圖7 堆載高度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig. 7 Relation curves of load height and time

圖8～14為有無(wú)側(cè)限時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果。由該數(shù)值模擬結(jié)果可知：無(wú)側(cè)限時(shí)，堆載預(yù)壓區(qū)最大沉降為308.06 mm；側(cè)限位置離堆載區(qū)邊緣的距離分別為0, 2, 4, 10, 20, 50 m時(shí)，堆載預(yù)壓區(qū)的最大沉降分別為126.50, 152.08, 167.93, 196.90, 225.36, 271.62 mm。這表明，側(cè)限的設(shè)置對(duì)降低堆載預(yù)壓區(qū)沉降有很好的作用；當(dāng)側(cè)限設(shè)置在預(yù)壓區(qū)邊緣，堆載預(yù)壓區(qū)最大沉降降低58.93%；當(dāng)側(cè)限位置離預(yù)壓區(qū)邊緣的距離分別為2, 4 ,10, 20, 50 m時(shí)，堆載預(yù)壓區(qū)最大沉降也分別降低50.63%, 45.49%, 36.08%, 26.85%, 11.83%。

圖8 無(wú)側(cè)限時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 8 Simulation results without lateral constraints

圖9 側(cè)限在堆載預(yù)壓區(qū)邊緣時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 9 Numerical simulation results of the lateral con fi nement on the edge of the surcharge preloading area

圖10 側(cè)限距堆載預(yù)壓區(qū)邊緣2 m時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 10 Numerical simulation results: with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 2 meters

圖11 側(cè)限距堆載預(yù)壓區(qū)邊緣4 m時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 11 Numerical simulation results with the edge distance of the lateral limit of the surcharge preloading area being 4 meters

圖12 側(cè)限距堆載預(yù)壓區(qū)邊緣10 m時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 12 Numerical simulation results:with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 10 meters

圖13 側(cè)限距堆載預(yù)壓區(qū)邊緣20 m時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 13 Numerical simulation results: with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 20 meters

圖14 側(cè)限距堆載預(yù)壓區(qū)邊緣50 m時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 14 Numerical simulation results:with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 50 meters

圖15為側(cè)限設(shè)置位置與堆載預(yù)壓區(qū)最大沉降的關(guān)系曲線。從該曲線可以看出，當(dāng)側(cè)限位置離堆載預(yù)壓區(qū)邊緣的距離大于2 m時(shí)，曲線斜率逐漸變小，說(shuō)明側(cè)限的設(shè)置對(duì)堆載預(yù)壓的最終沉降量影響變小。

圖15 側(cè)限位置與最大沉降的關(guān)系Fig. 15 Relationship between the lateral position and maximum settlement

圖16為不同側(cè)限位置與各級(jí)堆載下，沉降穩(wěn)定時(shí)間的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可知，當(dāng)側(cè)限設(shè)置在堆載預(yù)壓區(qū)邊緣時(shí)，各級(jí)荷載作用下沉降穩(wěn)定時(shí)間很短，第一級(jí)堆載穩(wěn)定沉降值與最終堆載沉降穩(wěn)定值相差不大；當(dāng)側(cè)限位置離堆載預(yù)壓區(qū)邊緣的距離大于2 m時(shí)，側(cè)限的設(shè)置對(duì)堆載預(yù)壓沉降穩(wěn)定時(shí)間影響變小。

圖16 不同側(cè)限位置對(duì)沉降穩(wěn)定時(shí)間的影響Fig. 16 Effects of different side limit on the time of settlement stabilization

由數(shù)值模擬結(jié)果可以推得不同側(cè)限情形下，達(dá)到不同固結(jié)度時(shí)所需預(yù)壓時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，當(dāng)側(cè)限位置設(shè)置在堆載預(yù)壓區(qū)邊緣時(shí)，土的固結(jié)度達(dá)到80%所需預(yù)壓時(shí)間為140 d；當(dāng)無(wú)側(cè)限及側(cè)限位置離堆載預(yù)壓區(qū)邊緣的距離為2, 4, 10, 20, 50 m時(shí)，固結(jié)度達(dá)到80%所需預(yù)壓時(shí)間均為150 d；固結(jié)度達(dá)到90%所需堆載預(yù)壓時(shí)間均為163 d。由此可知，側(cè)限設(shè)置在預(yù)壓區(qū)邊緣，前期固結(jié)速度較快，達(dá)到80%固結(jié)度較無(wú)側(cè)限可縮短10 d，但達(dá)到90%的固結(jié)度所需時(shí)間基本一致。側(cè)限設(shè)置的最佳位置是在堆載預(yù)壓區(qū)邊緣。

表3 不同側(cè)限下達(dá)到不同固結(jié)度時(shí)的時(shí)間Table 3 Time of different consolidation degrees under different lateral limits d

5 結(jié)語(yǔ)

為限制軟土在預(yù)壓荷載作用下的側(cè)向擠出，降低堆載排水預(yù)壓對(duì)周邊環(huán)境的影響，提出了側(cè)限堆載預(yù)壓技術(shù)。通過(guò)有無(wú)側(cè)限堆載預(yù)壓數(shù)值模擬對(duì)比研究，可得以下結(jié)論：

1）堆載預(yù)壓側(cè)限控制技術(shù)能有效降低軟土地基沉降，提高前期固結(jié)速率，固結(jié)度達(dá)80%堆載預(yù)壓時(shí)間最大可縮短10 d，但對(duì)最終固結(jié)時(shí)間影響不大。

2）側(cè)限設(shè)置位置對(duì)堆載預(yù)壓影響顯著。當(dāng)側(cè)限位置位于堆載預(yù)壓區(qū)邊緣時(shí)，與無(wú)側(cè)限相比，堆載預(yù)壓區(qū)最大沉降降低58.93%。

3）當(dāng)側(cè)限位置離堆載預(yù)壓區(qū)邊距離大于2 m時(shí)，側(cè)限設(shè)置對(duì)堆載預(yù)壓影響逐漸減小，最佳側(cè)限位置位于堆載預(yù)壓區(qū)邊緣。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

A Comparative Study on the Surcharge Preloading of Highway Soft Foundation with the Lateral Restraint a Variable

NIE Zhilin，LIU Jie，LIU Ting，LIU Fengwei
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to reduce the adverse effects of the preloading drainage consolidation on the surrounding environment, the concept of the lateral restraint of the surcharge preloading has been put forward. A preloading drainage consolidation model with the lateral restraint a variable has been established by using the finite element analysis software FLAC3D, followed by a comparison between the simulation results and the measured results of the surcharge preloading without the lateral restraint, which has veri fi ed the liability and feasibility of the numerical simulation model. An investigation has been made of the differences between the surcharge preloading with or without the lateral restraint. Experimental results show that the controlling of the lateral restraint helps to effectively reduce the settlement of the soft soil foundation and speed up the initial consolidation rate. Meanwhile the closer the position of the lateral restraint to the edge of the surcharge preloading area, the better the lateral con fi nement effect will be.

lateral restraint；highway soft foundation；surcharge preloading；settlement

U416.1

A

1673-9833(2017)02-0044-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.008

2016-10-27

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015JJ5017）

聶志林（1991-），男，湖南懷化人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)檐浲恋鼗幚?，E-mail：nzlmail@qq.com