拋石擠淤處理軟土路基效果及參數(shù)敏感性分析

賀暄

摘要：文章以某地區(qū)拋石擠淤處理路基為例，采用有限元軟件PLAXIS建立模型，對拋石擠淤處理路基效果進行了數(shù)值分析，并對路基處理厚度、路基處理寬度、土體的彈性模量和土體的粘聚力等常見的參數(shù)敏感性進行了分析，結論如下：采用拋石擠淤處理后，最大沉降值為80.2mm，相比于不作處理時沉降減小了41.0%，各監(jiān)測點沉降減小百分比基本維持在40%左右，這說明采用拋石擠淤處理能起到較好的控制效果;增加路基處理厚度和處理寬度可以有效減小路基沉降，且增大處理厚度時效果更佳，而改變土體的彈性模量和粘聚力對拋石擠淤處理效果影響甚微。

關鍵詞：路基工程;拋石擠淤;沉降;數(shù)值模擬;敏感性分析

0 引言

拋石擠淤作為處理軟土路基常用的方法之一，廣泛應用在工程實際當中。近年來，國內學者進行了相關的研究，范曉秋、寧建根等人[1，2]以某高速公路工程路基處理為依托，采用PFC顆粒流軟件分析了石塊粒徑、淤泥混砂軟土層的淤泥含量、路基自身荷載3種因素對拋石擠淤深度的影響，并計算了拋石擠淤后擠淤層的等效力學參數(shù);高迎伏、陳子龍等人[3，4]針對某高速公路沿海路基特點，為確保路基穩(wěn)定和減少工后沉降，采用拋石擠淤強夯置換對軟基進行處理，并通過現(xiàn)場靜載試驗、動力觸探、瑞利波等方法對加固效果進行了評價;顧衛(wèi)星、閆澍旺等人[5，6]簡述了拋石擠淤處理軟基工藝原理，分析了拋石擠淤施工技術的優(yōu)缺點及其適用范圍，并對拋石擠淤在軟基處理中的具體應用進行闡述，最后探究了拋石擠淤的質量控制及其安全措施。目前研究大多數(shù)傾向于對拋石擠淤處理路基效果的研究，而對相關影響參數(shù)的分析研究較少。本文主要以某地區(qū)拋石擠淤處理路基為例，采用有限元軟件PLAXIS建立模型，對拋石擠淤處理路基效果進行了分析，并對路基處理厚度、路基處理寬度、土體的彈性模量和土體的粘聚力等常見的參數(shù)敏感性進行了分析，研究結果可為工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某軟土地區(qū)公路工程擬采用拋石擠淤法進行軟土路基處理，路基寬度設計值為25.0m，高度為4.0m，坡率按照1∶1.5設計，施工時采用分層鋪填碾壓的方法，每次填筑高度為1.0m。為了分析拋石擠淤法的處理效果，采用數(shù)值模擬的方法將模擬結果與工程現(xiàn)場監(jiān)測結果進行對比分析，再對參數(shù)的敏感性進行分析。路基具體尺寸和土體分層在數(shù)值建模中具體介紹。

2 數(shù)值建模

2.1 網格劃分

圖1所示為采用有限元軟件PLAXIS建立的數(shù)值模型圖。根據實際工況，路基的寬度取值為25.0m，高度為4.0m，坡率為1∶1.5，施工時采用分層鋪填碾壓的方法，每次填筑高度為1.0m。為了消除邊界的影響，模型底部（即地基）長度取60m，埋深取20m，模型寬度（垂直路基截面方向）取10m。為了提高計算精度，采用含15[JP+1]節(jié)點的三角形單元進行計

算，網格單元總數(shù)為3246個。表1給出了天然狀態(tài)下地基土的物理力學參數(shù)，其中淤泥土、粉質黏土、黃土三者的本構模型均為摩爾庫倫，排水類型均為不排水。表2給出了路基換填后土體的物理力學參數(shù)，其中路基填土、拋石淤泥體和改良土本構模型均為摩爾庫倫，排水類型均為排水。

3 數(shù)值結果分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據對比及位移云圖分析

為了說明本文模型的準確性，本文將數(shù)值模擬結果與監(jiān)測數(shù)據進行對比分析，監(jiān)測點為路基中心上表面。由圖2可知，在前期（0～50d）沉降增長速率較快，之后速率放緩，直至180d前后逐漸趨于平衡。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，實測數(shù)據與數(shù)值試驗數(shù)據較為接近，說明了本文計算模型的準確性和適用性，也為下文分析提供了依據。

路基沉降能在一定程度上反映路基的工程效果。圖3所示為未作處理和采用拋石擠淤處理后的路基沉降云圖。由圖3可知，最大沉降均發(fā)生在路基中心區(qū)域，對于圖3（a），未作處理時最大沉降值為135.8mm;對于圖3（b），采用拋石擠淤處理后，最大沉降值為80.2mm，相比于不作處理時沉降減小了41.0%，這說明采用拋石擠淤處理能起到較好的控制效果。

為了更好地對未處理和采用拋石擠淤處理時地基沉降進行對比，在路基表面設置監(jiān)測點，監(jiān)測點距路基中心水平距離分別為0m、2m、4m、6m、8m、10m和12m，通過觀察表3可以發(fā)現(xiàn)處理之后各監(jiān)測點沉降減小百分比基本維持在40%左右，說明采用拋石擠淤處理地基確實起到了明顯的工程效果。

3.2 參數(shù)敏感性分析

為了探究影響拋石擠淤處理效果的因素，本節(jié)采用控制變量法分別就路基處理厚度h、路基處理寬度d、土體的彈性模量E和土體的粘聚力c作具體分析。

3.2.1 路基處理厚度h

圖4所示為不同路基處理厚度對應的監(jiān)測點沉降曲線，文中監(jiān)測點均設在路基表面，共計7個。路基處理厚度分別取0m、1m、2m、3m和4m。由圖4可知，路基中心的沉降要大于路基兩側，且隨著路基處理厚度的增加，沉降值逐漸減小。對于路基中心點，路基處理厚度分別取0m、1m、2m、3m和4m時對應的沉降值分別為13.52cm、11.13cm、9.84cm、8.46cm和7.51cm，相對于處理厚度為0（即不處理時），路基處理厚度取1m、2m、3m和4m時最大沉降分別減小了17.7%、27.2%、37.4%和44.5%，說明增加路基處理厚度可以有效減小路基沉降。

3.2.2 路基處理寬度d

圖5所示為不同路基處理寬度對應的監(jiān)測點沉降曲線，文中監(jiān)測點布置同上。路基處理寬度分別取0m、1m、2m、3m和4m，處理的起始點為路基中心。由圖5可知，路基中心的沉降要大于路基兩側，且隨著路基處理寬度的增加，沉降值逐漸減小。對于路基中心點，路基處理寬度分別取0m、1m、2m、3m和4m時對應的沉降值分別為9.21cm、8.82cm、8.26cm、7.73cm和7.30cm，相對于處理寬度為0（即不處理時），路基處理寬度取1m、2m、3m和4m時最大沉降分別減小了4.2%、10.3%、16.1%和20.1%，路基最大沉降值基本隨處理寬度的增加線性減小。

3.2.3 土體彈性模量E

圖6所示為不同土體彈性模量對應的監(jiān)測點沉降曲線，監(jiān)測點布置同上。土體彈性模量分別取30MPa、40MPa、50MPa、60MPa和70MPa，由圖6可知，隨著土體彈性模量的增加，沉降值有略微減小。對于路基中心點，土體彈性模量分別取30MPa、40MPa、50MPa、60MPa和70MPa時對應的沉降值分別為8.38cm、8.34cm、8.31cm、8.28cm和8.26cm。相對于土體彈性模量取30MPa時，土體彈性模量取40MPa、50MPa、60MPa和70MPa時最大沉降分別減小了0.5%、0.8%、1.2%和1.4%，說明改變土體的彈性模量對拋石擠淤處理效果影響甚微。

3.2.4 土體粘聚力c

圖7所示為不同土體的粘聚力對應的監(jiān)測點沉降曲線，監(jiān)測點布置同上。土體的粘聚力分別取1kPa、2kPa、3kPa、4kPa和5kPa。由圖7可知，隨著土體的粘聚力的增加，路基沉降值基本未發(fā)生變化，說明改變土體的粘聚力對拋石擠淤處理效果無影響。

4 結語

本文以某地區(qū)拋石擠淤處理路基為例，采用有限元軟件PLAXIS建立模型，對拋石擠淤處理路基效果進行了分析，并對路基處理厚度、路基處理寬度、土體的彈性模量和土體的粘聚力等常見的參數(shù)敏感性進行了分析，結論如下：

（1）通過將實測數(shù)據與數(shù)值試驗數(shù)據進行對比，說明了本文計算模型的準確性和適用性。采用拋石擠淤處理后，最大沉降值為80.2mm，相比于不作處理時沉降減小了41.0%，各監(jiān)測點沉降減小百分比基本維持在40%左右，這說明采用拋石擠淤處理能起到較好的控制效果。

（2）相對于路基處理厚度為0時，路基處理厚度取1m、2m、3m和4m時最大沉降分別減小了17.7%、27.2%、37.4%和44.5%;相對于處理寬度為0時，路基處理寬度取1m、2m、3m和4m時最大沉降分別減小了4.2%、10.3%、16.1%和20.1%。說明增加路基處理厚度和處理寬度可以有效減小路基沉降，且增大處理厚度時效果更佳。

（3）改變土體的彈性模量對拋石擠淤處理效果影響甚微;改變土體的粘聚力對拋石擠淤處理效果無影響。4個影響因素的敏感性排序為處理厚度h>處理寬度d>彈性模量E>粘聚力c。

參考文獻：

[1]范曉秋，劉 鑫.基于PFC的軟土路基拋石擠淤過程的數(shù)值計算研究[J].科技資訊，2018，16（36）：87-90.

[2]寧建根，石振明，高彥斌，等.山區(qū)湖區(qū)道路拋石擠淤效果及形態(tài)研究[J].公路，2014（4）：66-69.

[3]高迎伏，劉曉立.沿海路基拋石擠淤強夯置換處理技術研究[J].中外公路，2010（4）：55-59.

[4]陳子龍.拋石擠淤強夯法在軟基處理中的應用與分析[J].鐵道標準設計，2010（7）：15-17.

[5]顧衛(wèi)星.論拋石擠淤在軟基處理中的應用以及施工工藝[J].江西建材，2015（22）：121-124.

[6]閆澍旺，陳 靜，孫立強，等.拋石擠淤深度的計算方法和模型試驗[C].中國土木工程學會第十二屆全國土力學及巖土工程學術大會，2015.