環(huán)杭州灣地區(qū)厚覆蓋層橋頭路基不同處理方法的效果

吳勇強(qiáng)，李秉宜*，黃筱璐，錢 彬，賀新良

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；2.嘉興市交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，嘉興 314000；3.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，南京 210024；4.保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣州 510620)

環(huán)杭州灣地區(qū)是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)體系中的重要組成部分，而隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路建設(shè)問題也迫在眉睫，但杭州灣地區(qū)上部分布厚層沖海積粉土、粉砂，中下部分布海相軟土，壓縮性高，性質(zhì)差。通車多年公路路段調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，橋頭路段線形差異較大，不均勻沉降較為嚴(yán)重，路基和橋臺(tái)銜接部分裂縫和損壞，并有不可逆加深的趨勢(shì)，橋頭跳車現(xiàn)象嚴(yán)重，而且現(xiàn)場(chǎng)的情況復(fù)雜多變，應(yīng)采用何種地基處理方式更為適用經(jīng)濟(jì)尚不得知。

對(duì)于雙層地基的特性，學(xué)者們已開展了較多研究。如李小勇等[1]、王丙乾等[2]，利用概率統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)雙層地基的固結(jié)、空間概率和沉降特性進(jìn)行研究；徐光黎等[3]通過廣泛的資料收集和分析，基于室內(nèi)模型試驗(yàn)、離心機(jī)實(shí)驗(yàn)和大型原位試驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)地分析了復(fù)合地基的各種破壞模式Jeong-Seon[4]采用軸對(duì)稱有限元分析方法，研究上覆砂土下臥軟土載荷傳遞機(jī)理；彭邦陽等[5]建立復(fù)合雙層地基極限承載力的計(jì)算方法和模型；問延熙等[6]通過是室內(nèi)試驗(yàn)研究荷載面積下硬殼層應(yīng)力擴(kuò)散作用以及硬殼層的封閉作用，總結(jié)了雙層地基承載與變形特性；經(jīng)緋等[7]、劉光學(xué)[8]分別通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究雙層地基的變形特征，證明沉降變形量與硬殼層度負(fù)相關(guān)，與軟土層厚度正相關(guān)；周駿[9]、馮興等[10]、毛成琦[11]，利用有限元方法，對(duì)上下硬下軟地基的受力與變形特性進(jìn)行分析。曾長(zhǎng)賢等[12]針對(duì)高速路段的雙層軟土地基，試驗(yàn)段采用預(yù)應(yīng)力管樁、旋噴樁和強(qiáng)夯等處理方式加固地基不同部位，通過原位測(cè)試得到各處理方式下地基的變形特性，對(duì)不同處理方式的加固效果進(jìn)行研究。

可見，對(duì)于上覆砂層及下臥淤泥層的復(fù)雜狀況地基的研究多針對(duì)普通地基受力與變形特性，但是針對(duì)沉降變形要求更高的橋頭地基研究仍較少，特別是加固方式的適用性和經(jīng)濟(jì)性方面鮮有研究。所以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)環(huán)杭州灣上覆為粉土、粉砂層，而下臥深埋軟土的地基，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。旨在對(duì)在不同覆蓋層與下臥軟土厚度多種情況下，進(jìn)行不同地基處理方式下控制橋頭段工后沉降效果對(duì)比分析，以期為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

研究區(qū)域位于環(huán)杭州灣沖海積平原區(qū)，依托在建的一級(jí)公路新東線(新二村-東二區(qū)高速公路)，上部主要為厚層沖海積粉土、粉砂層，厚 14.4～26.8 m，狀態(tài)松散-稍密，性質(zhì)較差，可能發(fā)生液化。下部為厚層海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土層，流塑-軟塑狀，厚度3.10～26.7 m，壓縮性高，性質(zhì)差，屬典型的深埋軟基，且本工程全線均為軟基，軟土深度10 m以內(nèi)的路段占21.9%；軟土深度10～20 m 的路段占53.8%；軟土深度20 m以上的路段占24.4%，其中軟土最厚達(dá)26.7 m。

1.2 處理方法

1.2.1 真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法

真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法作為一種復(fù)合式的動(dòng)力排水固結(jié)法，其主要包括真空井點(diǎn)降水和強(qiáng)夯擊密兩方面的內(nèi)容，是在動(dòng)力固結(jié)法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的適用性更加廣泛、施工快速且加固效果更佳良好的動(dòng)力排水固結(jié)法。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段采用真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法：①真空降水環(huán)節(jié)。本次試驗(yàn)段施工采用真空井點(diǎn)降水方式，共進(jìn)行4遍降水。試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)間隔設(shè)置深管和淺管，降水管采用50 mm的PVC管，其中深管長(zhǎng)為6 m，淺管長(zhǎng)為3 m，間排距為3.5 m×3.5 m。在距場(chǎng)地外側(cè)2～3 m設(shè)置雙層封管，兩層封管管長(zhǎng)分別為4、6 m。②強(qiáng)夯擊密工序采用3遍點(diǎn)夯和1次滿夯。如圖1所示為真空降水效果前后對(duì)比圖。

圖1 真空井點(diǎn)第一遍降水前后對(duì)比

1.2.2 引孔旋噴樁加固下臥軟土

引孔旋噴樁加固厚覆蓋層軟土地基通過直接加固多層地基中下臥軟弱層保留上層及下層地基完整性，并以高壓旋噴樁提高地基承載力來達(dá)到加固地基減少工后沉降的目的[13]。

試驗(yàn)段采用引孔高壓旋噴樁施工，對(duì)厚粉砂土覆蓋層下的淤泥層進(jìn)行加固。旋噴樁處理如圖2所示，如圖3所示為旋噴樁取芯，樁間距1.6 m，引孔至地基下約22.3 m處，旋噴樁長(zhǎng)9 m，穿越淤泥層并嵌入上部粉砂1 m和下部硬土層1.5 m，并采用振動(dòng)碾壓對(duì)原地面與地基淺層進(jìn)行處理。

圖2 旋噴樁處理方案

圖3 旋噴樁取芯

1.2.3 輕質(zhì)填料

泡沫混凝土是通過在水泥漿中加入泡沫,經(jīng)攪拌均勻后澆注成型并養(yǎng)護(hù)后得到的一種內(nèi)部含有封閉氣泡的新型建筑材料。因其具有質(zhì)輕、流動(dòng)性好、強(qiáng)度易控制、價(jià)格低、保溫隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)[14]。

試驗(yàn)段采用路用泡沫混凝土的方式，分兩層填筑，填筑高度為2.58 m。預(yù)制塊的尺寸為30 cm×30 cm×40 cm。現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制塊鋪設(shè)如圖4所示。

圖4 預(yù)制塊鋪設(shè)

2 數(shù)值模擬

2.1 方法驗(yàn)證

研究采用有限差分法，數(shù)值模擬基于FLAC3D 5.0軟件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，上部厚覆蓋粉砂層厚25 m，下部淤泥質(zhì)軟土厚15 m。考慮對(duì)稱性，取1/2模型進(jìn)行計(jì)算?？紤]盡可能減小邊界效應(yīng)，模型寬度取120 m，加載寬度為20 m。荷載最大值為80 kPa。原始土體參數(shù)如表1所示。

通過計(jì)算得到了沉降隨時(shí)間的變化曲線(圖5)，證明數(shù)值計(jì)算模型對(duì)于一般路段的現(xiàn)場(chǎng)沉降數(shù)據(jù)有較好的匹配度。但運(yùn)營(yíng)期開始階段，沉降依然保持相似速率增長(zhǎng)，明顯超過浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)規(guī)范》中橋頭路堤工后沉降小于10 cm標(biāo)準(zhǔn)，所以需采用有效地基處理方式。

圖5 沉降隨時(shí)間變化

2.2 真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法

2.2.1 參數(shù)選值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)論，經(jīng)過井點(diǎn)聯(lián)合強(qiáng)夯處理的地基，部分上部粉砂土的壓縮和滲透特性都得到了改善。模擬計(jì)算時(shí)，將表層至8 m深度內(nèi)的土體的模量與滲透性進(jìn)行修正。通過對(duì)2.1節(jié)未處理地基幾何模型進(jìn)行修正，得到降水聯(lián)合強(qiáng)夯處理后的地基幾何模型(圖6)。

圖6 降水聯(lián)合強(qiáng)夯處理地基計(jì)算模型

表1 原始土體參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果[15]，壓縮特性在處理范圍內(nèi)隨深度而變化。深度為2 m處，處理后的壓縮模量為初始未處理土的2.68倍，深度為8 m時(shí)，處理后的壓縮模量為處理前的0.94，而且變化的比值可以近似看成隨深度而下降，以下擬合公式能夠較好地反映二者的關(guān)系。

(1)

在數(shù)值模擬中，對(duì)影響范圍內(nèi)的滲透系數(shù)統(tǒng)一取為原粉砂土的1/5。經(jīng)過初步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，影響深度內(nèi)對(duì)粉砂土的滲透系數(shù)的折減，對(duì)計(jì)算的結(jié)果影響較小。

2.2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

通過模擬計(jì)算可得處理與未處理沉降變化對(duì)比曲線(圖7)。厚覆蓋層25 m，軟土層厚15 m的土層分布地基，15 a后最終沉降為35.0 cm，施工期沉降為17.6 cm，工后沉降為17.4 cm，而未處理地基的24.7 cm，可見強(qiáng)夯聯(lián)合降水可以有效降低工后沉降。

圖7 處理與未處理地基沉降變化對(duì)比

對(duì)不同厚度的土層厚度進(jìn)行計(jì)算，考慮典型地質(zhì)條件為較厚覆蓋層，覆蓋層厚度h1取15、20、25 m，下臥軟土層厚度h2取值5、10、15、20、25、30 m。數(shù)值模擬得到沉降隨時(shí)間變化如圖8所示。

(1)總沉降變化

由圖8可知，當(dāng)覆蓋層較厚時(shí)，特別是大于等于20 m時(shí)，降水聯(lián)合強(qiáng)夯的處理方式可以降低40%～60%的工后沉降量，是因?yàn)楦哒婵战邓?lián)合強(qiáng)夯處理后人工硬殼層更有利于應(yīng)力擴(kuò)散，從而減小了工后沉降。

(2)工后沉降

按照定義，工后沉降等于總沉降扣除施工期沉降。將工后沉降的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，得到單位填高下的沉降值，見表2。

圖8 不同厚度覆蓋層與下部軟土對(duì)沉降的影響

表2 工后沉降與荷載關(guān)系

2.3 泡沫混凝土置換法

2.3.1 參數(shù)選值

輕質(zhì)填料的處理方式，即在不改變填筑高度的情況下改變上部荷載，以此減小最終沉降。根據(jù)浙江地區(qū)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，應(yīng)用時(shí)考慮換填泡沫混凝土的容重為550～650 kN/m3，計(jì)算時(shí)取容重為600 kN/m3。

根據(jù)泡沫混凝土填筑路基的結(jié)構(gòu)形式，換填部分與整體填高的比值，可以確定泡沫混凝土換填后荷載的折減率，由于沉降與荷載成線性關(guān)系，同時(shí)也得到了沉降折減率, 得沉降折減率隨填高變化曲線(圖9)。

圖9 沉降折減率隨路基填高變化

2.3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

泡沫混凝土通過替換路面以下部分以減小荷載，沉降折減率隨著填高的增大而減小。低填高時(shí)，荷載減小較少，當(dāng)填高為2 m時(shí)，沉降折減為原來的0.65，當(dāng)填高為5 m時(shí)，沉降折減為原來的0.44。

對(duì)填高為5 m時(shí)，分析不同土層厚度分布時(shí)泡沫混凝土換填后的工后沉降。路基填高5 m時(shí)，從表3可以得到，當(dāng)下臥土層小于10 m時(shí)，泡沫混凝土換填處理可以滿足橋頭路段的工后沉降要求(表3陰影部分)。

表3 泡沫混凝土路基工后沉降(路基填高5 m)

2.4 引孔旋噴樁加固法

2.4.1 參數(shù)選值

引孔旋噴樁進(jìn)行地基處理的數(shù)值模擬時(shí)，采用復(fù)合模量法對(duì)下臥層的土體參數(shù)進(jìn)行修正。根據(jù)《浙江省公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB33/T904—2013)，計(jì)算公式如下：

Eps=mEp+(1-m)Es

(2)

(3)

根據(jù)實(shí)際，對(duì)部分下部軟弱層進(jìn)行土體參數(shù)的改變，以此模擬旋噴樁加固后的深層土體，樁體參數(shù)如表4所示。

表4 樁體參數(shù)

注：μ為摩擦系數(shù)。

2.4.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

通過模擬計(jì)算(引孔旋噴樁加固模型如圖10所示)，得到了引孔旋樁加固下部軟弱土的沉降變化。并對(duì)不同上下土層厚度分布下的沉降進(jìn)行分析，得到圖11。相同覆蓋層厚度時(shí)，總沉降隨下臥層厚度的變化較小，隨著覆蓋層厚度的增加而增加。

圖10 引孔旋噴樁加固計(jì)算模型

通過加固下臥層的處理方式后，沉降變形主要發(fā)生在施工期。覆蓋層厚度越小，施工期沉降所占總沉降的比例更大。覆蓋層為15 m時(shí)，施工期沉降占了總沉降的90%以上。由于固結(jié)排水路徑較短，所以上覆粉砂土較快完成了固結(jié)，幾乎已全部完成固結(jié)，而工后沉降主要發(fā)生在下部的加固后的軟弱土。同時(shí)軟弱土已經(jīng)經(jīng)過引孔旋噴樁的加固，強(qiáng)度與壓縮模量都得以較大程度的提高，故產(chǎn)生的最終沉降也很小。當(dāng)覆蓋層較厚時(shí)，施工期完成后，上部粉砂土仍需要一段時(shí)間完成固結(jié)變形，所以工后沉降仍然有一部分來自上部粉砂土，故覆蓋層更厚，工后沉降相對(duì)較大。

對(duì)工后沉降進(jìn)行計(jì)算，覆蓋層小于25 m時(shí)都能滿足橋頭路基工后沉降小于10 cm的要求。部分覆蓋層厚較厚情況，工后沉降略大于10 cm的情況，可以通過增加旋噴樁水泥噴量、增大旋噴樁直徑，減小樁間距等措施在設(shè)計(jì)上保證符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 不同分布的覆蓋層與下部軟土對(duì)沉降的影響

表5 引孔旋噴樁加固下臥層工后沉降(填高為5 m)

綜合數(shù)值模擬結(jié)果，在路基填高小于5 m時(shí)，引孔旋噴樁加固下部軟土?xí)r，可以有效減小工后沉降，滿足橋頭路段路基沉降標(biāo)準(zhǔn)

3 經(jīng)濟(jì)性與適用性分析

在相同的處理方法都能達(dá)到要求時(shí)，需要考慮其經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范及定額，得到不同處理方法的綜合造價(jià)，如表6所示。

表6 不同處理方式的費(fèi)用

橋頭路段對(duì)工后沉降的要求較高，故經(jīng)濟(jì)性針對(duì)真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯、引孔旋噴樁與泡沫混凝土填筑路基常用三種方法進(jìn)行比較，經(jīng)濟(jì)性比較主要涉及的變量為路基填高H、覆蓋層厚h1與下部軟土層厚度h2。通過計(jì)算，不同地基處理方法時(shí)，每延米造價(jià)與路基填高的變化關(guān)系。所以在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選取該方法，通過數(shù)值模擬計(jì)算得到不同地基處理方法造價(jià)與填高關(guān)系圖12，顯然真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯法造價(jià)低于其他兩種方法。

圖12 不同地基處理方法造價(jià)與填高關(guān)系

比較引孔旋噴樁與泡沫混凝土兩種處理方法的費(fèi)用。由于引孔旋噴樁造價(jià)與土層厚度有關(guān)，選取典型厚度進(jìn)行比較。如覆蓋層厚度為10 m，下臥層為5 m的情況，當(dāng)填高小于1.6 m時(shí)，泡沫混凝土的造價(jià)低于引孔旋噴樁，大于1.6則反之。當(dāng)覆蓋層大于20 m，下臥層大于20 m時(shí)，無論填高多少，引孔旋噴樁的造價(jià)都高于泡沫混凝土。

因此，橋頭地基處理方案選擇時(shí)，優(yōu)選考慮不處理與真空井點(diǎn)聯(lián)合強(qiáng)夯法的方案，在不能滿足要求時(shí)，在引孔旋噴樁與泡沫混凝土中選取造價(jià)更低者。在此原則上，通過表2、表3、表5計(jì)算比較得到了地基處理方案選擇表(表7)。當(dāng)路基填高小于1 m時(shí)，小于30 m的厚覆蓋層地基可以不進(jìn)行處理。當(dāng)填高大于1 m時(shí)，計(jì)算得到考慮經(jīng)濟(jì)性因素的代表性填筑高度對(duì)應(yīng)的合理處理方案，可為今后工程提供參考。

4 結(jié)論

通過對(duì)厚覆蓋層地基處理方法進(jìn)行分析，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的參數(shù)取值進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論。

(1)泡沫混凝土填筑路基：填高5 m時(shí)，下臥層小于10 m時(shí)，滿足要求，土層較厚時(shí)需要結(jié)合其他地基處理手段。

(2)真空井點(diǎn)降水聯(lián)合強(qiáng)夯：覆蓋層大于20 m時(shí)，處理效果較好，但需要考慮施工條件。

(3)引孔旋噴樁加固下臥軟土處理：對(duì)厚覆蓋層橋頭處理效果非常好，填高小于5 m時(shí)完全滿足要求。

(4)對(duì)覆蓋層地基處理方案選擇時(shí)，優(yōu)選考慮不處理與真空井點(diǎn)聯(lián)合強(qiáng)夯法的，在不能滿足要求時(shí)，在引孔旋噴樁與泡沫混凝土中選取造價(jià)更低者。在此原則上，形成針對(duì)不同斷面下橋頭路基處理方式最佳方案選擇表。

表7 地基處理方案選擇