圍堰換填法在東非沼澤區(qū)公路軟基處理中的應(yīng)用

李金成 熊排良 劉 光 易正紅 武 林

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063; 2.中交第一公路工程局集團(tuán)有限公司 北京 100024)

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)與深入，中國(guó)在非洲各國(guó)的公路建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多。東非地區(qū)常見(jiàn)的沼澤區(qū)軟弱地基處理是當(dāng)?shù)毓方ㄔO(shè)的難題之一。東非沼澤區(qū)地基土含水率高，承載力弱，容易對(duì)路基穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成公路不均勻沉降和路面開(kāi)裂[1]。因此，對(duì)沼澤地區(qū)軟基進(jìn)行合理處治，是保證路基穩(wěn)定性、維持公路正常使用功能的必要手段。

國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)軟弱地基處理進(jìn)行了研究，王福勝[2]進(jìn)行了袋裝砂井法軟基處理可行性分析，研究顯示擠實(shí)砂樁能有效加速地基土固結(jié)，減少施工后沉降。Chow[3]提出了一種擠密砂樁改善地基沉降的簡(jiǎn)化理論分析方法，并驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化方法的準(zhǔn)確性。張志耕[4]研究了碎石樁法在高原地區(qū)濕地軟基處理中的應(yīng)用，結(jié)果表明碎石樁可以加快地基排水過(guò)程，增強(qiáng)地基承載力和基礎(chǔ)抗液化的能力。黃桂蘭[5]探討了強(qiáng)夯法在軟基處理中的可行性，得出了強(qiáng)夯法能代替堆載土加速軟基排水固結(jié)的結(jié)論。吳明玉[6]提出采用超輕材料樁復(fù)合地基處理軟基，結(jié)果表明超輕材料樁復(fù)合地基具有平緩的地表沉降和良好的工作狀態(tài)，因此處理軟土地基效果較好。Liu等[7]研究了高速旋噴法進(jìn)行軟基處理的計(jì)算模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。段吉兵[8]對(duì)比研究了公路高路堤下的挖除換填法和拋石擠淤法的可行性，通過(guò)觀測(cè)沉降和側(cè)向位移，發(fā)現(xiàn)挖除換填法更具可行性。Saleh等[9]提出了采用聚氨酯化學(xué)灌漿提高軟土地基強(qiáng)度的方案，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法具有較好的可行性。

雖然國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于軟基處理方法的相關(guān)研究，但對(duì)于永久沼澤這種特殊軟基處理的相關(guān)研究較少，一般的處理方法對(duì)沼澤區(qū)軟基處治難以奏效。針對(duì)這種情況，本文以烏干達(dá)某沼澤區(qū)公路軟基處理為工程背景，對(duì)東非永久沼澤區(qū)采用先圍堰再換填的軟基處理方法進(jìn)行探索與實(shí)踐，并通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬，探討圍堰換填法處治沼澤區(qū)軟基的可行性和有效性。

1 工程概況

烏干達(dá)Kampala-Entebbe機(jī)場(chǎng)高速公路(以下簡(jiǎn)稱KE高速)是連接烏干達(dá)首都Kampala和Entebbe國(guó)際機(jī)場(chǎng)的高速公路，也是該國(guó)第一條收費(fèi)高速公路。主線全長(zhǎng)37.23 km，支線連接維多利亞湖度假村，長(zhǎng)為12.947 km。

該項(xiàng)目工程地質(zhì)情況復(fù)雜，途經(jīng)多處濕地或沼澤，其中沼澤可分為季節(jié)性沼澤和常年性沼澤。沼澤區(qū)軟基處理的常見(jiàn)方法一般有：換填法、拋石擠淤法、預(yù)壓法及碎石樁法[10]。根據(jù)工程實(shí)際情況，季節(jié)性沼澤一般可用換填法和拋石擠淤法進(jìn)行軟基處理[11]。永久性沼澤常年積水，植被豐富，表層土以淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)黏土為主，土壤地質(zhì)條件復(fù)雜，采用常用的軟基處理方法往往不能滿足規(guī)范對(duì)地基沉降值的要求。為了解決永久沼澤區(qū)軟基處理問(wèn)題，提出了在換填法的基礎(chǔ)上，先利用圍堰隔絕附近積水，再換填圍堰內(nèi)軟土，以提高地基承載能力的圍堰換填法。由于普通換填法和拋石擠淤法出現(xiàn)時(shí)間較早，已經(jīng)有許多專家學(xué)者做過(guò)相關(guān)研究[12]，其施工工藝與分析理論都較成熟。因此，本文針對(duì)圍堰換填法在處理東非烏干達(dá)地區(qū)永久性沼澤區(qū)的有效性和可行性進(jìn)行探究。所選研究路段的路基橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 路基橫斷面圖(單位：cm)

2 圍堰換填法施工工藝

圍堰原本是為了阻止水或者土進(jìn)入施工位置而修建的臨時(shí)性的支護(hù)結(jié)構(gòu)。換填法是將基礎(chǔ)地面以下一定范圍的軟弱土層置換成適合作為路基的土體的過(guò)程。圍堰換填法是在換填法基礎(chǔ)上增加修筑土制圍堰、抽水清淤和拋石填筑過(guò)程的地基處理方法，其原理是先將路基換填區(qū)域與周?chē)虿捎脟吒綦x，然后再對(duì)路基區(qū)域進(jìn)行抽水換填。其施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 圍堰換算流程圖

為保證圍堰換填法的施工質(zhì)量，需進(jìn)行2項(xiàng)工程測(cè)試：①在完成拋石擠淤步驟后，需要確保路堤基底片石壓實(shí)度不小于90%。對(duì)不達(dá)標(biāo)的路段需要重新?lián)Q填適宜性材料進(jìn)行碾壓，直到達(dá)到要求；②對(duì)路堤利用機(jī)器碾壓完成后，須對(duì)路基進(jìn)行加載預(yù)壓，預(yù)壓過(guò)程須對(duì)路基頂部沉降進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)沉降量過(guò)大，不符合設(shè)計(jì)沉降限制的路段進(jìn)行特別處理。處理方式包括重新開(kāi)挖后對(duì)基底進(jìn)行常規(guī)方式重新處理和在沉降過(guò)大路段內(nèi)鉆孔灌注水泥漿等。

在圍堰和路基修筑完成后，為了避免圍堰與路堤之間在降雨時(shí)變成溝渠，影響路堤坡腳穩(wěn)定性，需在圍堰與路堤之間填筑土料。實(shí)施圍堰換填后，路基橫斷面圖見(jiàn)圖3。

圖3 圍堰換填法處理后路基橫斷面圖

底部石料拋石層采用尺寸30～50 cm的塊石置換軟泥，塊石頂部撒布級(jí)配碎石填隙，地面以上的填土則采用加州承載比大于7%的紅土粒料。圍堰和路堤之間的填土不僅有助于路面排水，而且還保護(hù)了路堤邊坡，大大提高了路堤穩(wěn)定性。因此，采用圍堰換填法對(duì)沼澤區(qū)軟基進(jìn)行處理，使路基穩(wěn)定性得到了很好的保證，不再需要專門(mén)的護(hù)坡。由于增加了圍堰填筑和土料填充等過(guò)程，圍堰換填法進(jìn)行軟基處理與一般換填法相比，路基所承受的荷載更大，因而要特別注意控制路基的工后沉降。

3 路基沉降分析

路基沉降由路堤沉降和路堤下軟土地基沉降組合形成。公路路堤填土為工程性質(zhì)較好的土料，路堤沉降主要發(fā)生在施工階段，表現(xiàn)為瞬時(shí)沉降，其沉降值可以通過(guò)填筑時(shí)的分層壓實(shí)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控路堤標(biāo)高及時(shí)補(bǔ)料而得到較好的控制，路堤整體平均壓實(shí)度可以達(dá)到95%以上[13]。所以在計(jì)算公路路基工后沉降時(shí)主要考慮路堤下的軟土地基沉降。

3.1 計(jì)算理論

基于分層總和法[14]利用壓縮模量法計(jì)算的地基主固結(jié)沉降Sc計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Δpi為地基各分層中點(diǎn)的附加應(yīng)力，kPa；Esi為地基各分層中點(diǎn)的壓縮模量，kPa，一般由室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)得到;Δhi為地基各分層土的厚度，m。

由于路堤對(duì)地基荷載沿路線長(zhǎng)度方向的分布規(guī)律是不變的，因此，可看作是平面問(wèn)題求解，根據(jù)彈性理論，地基土受到無(wú)限分布的均布線荷載p時(shí)，地面以下深度z處附加應(yīng)力計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：x為離無(wú)限均布線荷載的垂直方向距離，m。

路堤寬度方向線荷載分布可通過(guò)路堤橫斷面形狀和填土重度求得，在此基礎(chǔ)上，只需對(duì)σz沿路堤寬度方向積分即能求出地基土中任意一點(diǎn)的有效應(yīng)力。圍堰換填法還需在地表上填筑圍堰和填充土料，因此，計(jì)算附加應(yīng)力時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮圍堰填土和填充土料的影響。

地基最終沉降S∞計(jì)算方法見(jiàn)式(3)

S∞=msSc

(3)

式中：ms為沉降系數(shù)，其與地基條件和荷載加載情況有關(guān)，一般由現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)資料確定，也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(4)[15]取值。

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

(4)

式中：H為路堤中心高度；γ為路堤填料的重度；θ為地基處理類型系數(shù)；V為加載速度修正系數(shù)；Y為地質(zhì)因素修正系數(shù)。

3.2 工程計(jì)算分析

烏干達(dá)KE項(xiàng)目在樁號(hào)K1+250-K1+300處是典型的永久性沼澤區(qū)域，表面生長(zhǎng)有高度超過(guò)2.0 m的植被，下部由植被根系及植被腐殖物構(gòu)成，水深約90 cm，無(wú)明顯徑流。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，地表下土層分布及路基橫斷面見(jiàn)圖4。

注：h為厚度，m；γi為土重度，kN/m3；Es為壓縮模量，MPa。

路堤頂寬26 m，邊坡坡度為1∶1.5，路面橫坡為2.5 %；圍堰頂寬7 m，邊坡坡度為1∶1.5，圍堰頂部與填充土料表面有4%橫坡，利于排水。圍堰換填法進(jìn)行軟基處理過(guò)程中，地表下100 cm厚度范圍用塊石置換了軟泥，由于塊石幾乎無(wú)法壓縮，因此分層沉降計(jì)算將從地下100 cm深度處開(kāi)始。表1為用分層總和法計(jì)算的路堤中點(diǎn)處土層①和土層②的地基最終沉降。

表1 分層總和法計(jì)算路堤底部中點(diǎn)地基最終沉降

壓縮層深度一般按該點(diǎn)土層附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的1/5來(lái)確定[16]，通過(guò)計(jì)算，最終取壓縮層深度為22.45 m，圖5為壓縮層計(jì)算深度與計(jì)算的地基最終沉降的關(guān)系。

圖5 壓縮層計(jì)算深度與計(jì)算的地基最終沉降的值

路堤底面中點(diǎn)處地基最終沉降等于各分層土沉降總和，S∞=ms∑Sci=280.6 mm，圍堰換填法處理的路基總沉降應(yīng)為軟基沉降與路堤沉降之和，此處僅為軟基沉降值，因此還需計(jì)算路堤沉降。路堤沉降計(jì)算則可參考張占榮等[17]提出的考慮路堤填筑前后順序的修正分層總和法，計(jì)算出的路堤沉降值理論值為11.6 mm，最終分層總和法計(jì)算的路基總沉降為S0=280.6+11.6=292.2 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，已知路基施工期沉降Scp=50 mm，則可以計(jì)算路基工后沉降Sp=S0-Scp=242.2 mm。因此，由分層總和法計(jì)算得到的總沉降滿足JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中軟土路基高速公路一般路段工后沉降小于等于0.3 m的要求[18]。

3.3 FLAC3D仿真分析

為了對(duì)分層總和法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本文采用FLAC3D三維有限元差分軟件對(duì)上述路段地基沉降進(jìn)行了仿真分析。模型土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，土層參數(shù)由室內(nèi)快剪實(shí)驗(yàn)確定，其參數(shù)取值見(jiàn)表2。最終建立的模型與網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖6。

表2 模型土體參數(shù)取值

圖6 模型與網(wǎng)格劃分圖

模型的邊界條件約束了前、后、左、右和底面5個(gè)面的位移，在只建立土層模型的基礎(chǔ)上，計(jì)算土層在自重作用下完成初應(yīng)力平衡，再通過(guò)約束土層各方向位移為0來(lái)保證加載前地基沉降值為0。最后建立路堤和圍堰等部分的模型來(lái)模擬圍堰換填法對(duì)地基的影響，計(jì)算出路基施工后的地基沉降。

圖6中，A～H點(diǎn)分別為所在土層中點(diǎn)，I點(diǎn)為路堤底面中點(diǎn)，J點(diǎn)為路堤頂面中點(diǎn)，K點(diǎn)為路堤底面邊點(diǎn)。

圖7為地基沉降云圖。

圖7 地基沉降云圖(單位：m)

路堤底面中點(diǎn)I處總沉降為245 mm，可以計(jì)算出仿真分析的路堤填土沉降為11 mm，與理論計(jì)算值11.6 mm較為接近。路堤沉降遠(yuǎn)小于軟土地基沉降的現(xiàn)象也驗(yàn)證了影響路基沉降的最大組成部分為軟土地基沉降的判斷。

路堤底面邊點(diǎn)K處沉降為219 mm，與I點(diǎn)沉降值相差26 mm，因此，填筑路堤時(shí)須注意中點(diǎn)比邊點(diǎn)需要更大的預(yù)留沉降量。

繪制A～I(xiàn)點(diǎn)處總沉降值(包括施工期沉降與工后沉降)的理論計(jì)算與仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)圖8。

圖8 地面深度與沉降值的關(guān)系

由圖8可見(jiàn)，路堤底面中點(diǎn)I處分層總和法計(jì)算結(jié)果比仿真分析結(jié)果大，這是因?yàn)榉抡娣治霾捎玫氖悄?庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系，只考慮彈性范圍內(nèi)的變形，而分層總和法計(jì)算采用壓縮模量計(jì)算考慮了不可恢復(fù)的塑形變形，所以理論計(jì)算最終沉降值較仿真分析的結(jié)果偏大。

圖8中F點(diǎn)(距離地面7.7 m)處理論計(jì)算沉降值與仿真分析結(jié)果大小相近，當(dāng)?shù)孛嫔疃刃∮?.7 m時(shí)，理論計(jì)算沉降值大于仿真分析的結(jié)果；當(dāng)?shù)孛嫔疃却笥?.7 m時(shí)，仿真分析沉降值又大于理論分析的結(jié)果。這是由于分層總和法假設(shè)了地基土層在側(cè)向不能變形，從而導(dǎo)致計(jì)算沉降值偏小，而利用地基中附加應(yīng)力計(jì)算地基沉降又會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏大。

在距地面較深處，分層總和法分析需要考慮沉降計(jì)算的土層厚度較薄，附加應(yīng)力在地面深處又比較小，而仿真分析則完全考慮土層側(cè)向位移，所以此時(shí)仿真分析計(jì)算結(jié)果偏大；在距地面較淺處，分層總和法分析需計(jì)算的土層變多，比仿真計(jì)算考慮額外塑性變形的誤差變大，所以此時(shí)的計(jì)算值比仿真分析的結(jié)果大。

圍堰回填施工過(guò)程中分別在路堤底部和頂部埋設(shè)沉降板，以便監(jiān)測(cè)工后沉降。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，路面施工完成后380 d的路堤頂部沉降平均值為190.6 mm，路堤底部沉降平均值為178.3 mm，因此，路堤的沉降為12.3 mm?？梢哉J(rèn)為分層總和法計(jì)算值和數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近。這說(shuō)明分層總和法和FLAC3D軟件可以有效預(yù)測(cè)圍堰換填法的工后沉降。

另外，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，路堤底部沉降的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值小于前述2種計(jì)算方法的理論值，其原因可能為：①雖然沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值近3個(gè)月變化不明顯，可以認(rèn)為工后沉降已趨穩(wěn)定，這個(gè)實(shí)測(cè)值接近于最終的工后沉降，但是實(shí)際上這個(gè)沉降值是小于最終沉降量的；②軟基處理最初的1 m左右不具備監(jiān)測(cè)條件，未監(jiān)測(cè)到這個(gè)階段路基施工引起的地基沉降；③理論分析方法和模型對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，可能忽略了部分影響工后沉降的因素?？傮w來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)值較小說(shuō)明圍堰換填法的現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制較好。

綜上所述，理論計(jì)算、仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值得出的工后沉降均滿足JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中軟土路基高速公路一般路段工后沉降小于等于0.3 m的要求[18]。該工程項(xiàng)目實(shí)際通車(chē)后，圍堰換填法施工路段的道路運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)道路修建質(zhì)量問(wèn)題，道路整體穩(wěn)定，說(shuō)明圍堰換填法能很好地處治沼澤區(qū)軟土地基沉降過(guò)大的問(wèn)題，可以保證道路修建后的安全穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文選擇烏干達(dá)KE高速公路典型沼澤區(qū)路段，針對(duì)圍堰換填法處理軟基，分別采用分層總和法與FLAC3D仿真分析計(jì)算了沼澤區(qū)公路路基工后沉降，得出了如下結(jié)論。

1) 圍堰換填法能有效提高地基承載力，適用于直接開(kāi)挖或置換比較困難且流塑性好的永久性沼澤軟土路基，但工程量較一般換填法大，施工周期長(zhǎng)，施工成本較常規(guī)軟基處理方法高。

2) 通過(guò)2種計(jì)算分析方法與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比分析可知，采用圍堰換填法進(jìn)行軟基處理，能有效地將沼澤區(qū)路基的沉降控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。其中，軟土地基沉降是路面沉降值的最大組成部分。分層總和法計(jì)算的沉降值在地面以下較深處比采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系仿真分析的結(jié)果小，而在離地面較近處又比仿真計(jì)算的結(jié)果大。

3) 圍堰換填法能有效解決沼澤區(qū)軟基處理中的施工困難和地基沉降過(guò)大的問(wèn)題，確保路基的穩(wěn)定性，用于處治沼澤區(qū)軟土地基具有可行性和有效性。