不良地質(zhì)下高液限黏土路基改擴建粉噴樁處治數(shù)值分析*

廖浩成， 黃博， 陳佳， 謝繼登

(1.湖南省蓮株高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 株洲 412000；2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；3.保利長大工程有限公司， 廣東 廣州 510000)

道路改擴建工程在自重荷載和行車荷載作用下很容易產(chǎn)生新老路基沉降差，若沉降差過大，新老路基相接位置的路面會產(chǎn)生裂縫、破損等現(xiàn)象。在高液限黏土地基上進行道路改擴建，新老路基差異沉降處治尤為重要。何穎通過紅黏土物理性能試驗，得出壓實度及承載比(CBR)是評價高液限黏土路基施工質(zhì)量的兩個重要指標(biāo)，并根據(jù)現(xiàn)場實際沉降模擬預(yù)測了未來路基沉降變化規(guī)律。戴良軍等探討了高液限黏土用作路堤填料的可行性，通過不同摻砂量高液限黏土填料試驗，提出施工含水率應(yīng)介于天然含水率與最佳含水率之間。張軍輝利用加筋路堤離心模型試驗?zāi)M改擴建工程，對軟弱地基提出處理建議。孟學(xué)清提出了加大新舊路基之間拼接設(shè)計、增強新老路基的協(xié)調(diào)性、加強加寬部分地基處理等處治措施。歐彩云通過對粉噴樁處理軟土路基機理的分析，得出采用粉噴樁處理軟土路基可減輕或避免路基在施工中及工后的橫向不均勻沉降。趙建通過對粉噴樁加固軟土地基方案的有限元分析，得出粉噴樁體的應(yīng)力分布和復(fù)合沉降變形規(guī)律。章海明對軟土路基沉降量及差異沉降進行有限元分析，得出增設(shè)粉噴樁群可控制路基的差異沉降。該文以某高速公路加寬改造為背景，利用ABAQUS軟件對高液限黏土路堤填筑和軟弱地基處治進行研究，分析粉噴樁處治后各級填筑加載高度下填土應(yīng)力及路基沉降。

1 高液限黏土的工程特性及改良

1.1 高液限黏土的工程特性

某高速公路沿線以紅黏土及次生紅黏土分布最廣，屬于軟土地區(qū)。該高液限紅黏土粒徑小，粒徑在10 mm以上的(含10 mm)通過百分率為100%，粒徑0.075 mm的通過百分率為86.06%。黏聚力決定高液限黏土的強度，它在含水率很低的情況下易被壓碎，在含水率高的情況下土體抗剪強度很小，整體穩(wěn)定性差。高液限黏土的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

高液限黏土在含水率低的情況下其干密度對擊實功較敏感，在含水率高的情況下其干密度受擊實功的影響較小。因此，在施工壓實度能達到標(biāo)準(zhǔn)的前提下，高液限黏土適宜在偏濕的狀態(tài)下進行碾壓，以減少不必要的碾壓次數(shù)，提高工作效率。該高液限黏土含水率在最佳含水率～最佳含水率+5%時，CBR值均在4.3以上，能滿足上下路堤的要求，并且適當(dāng)?shù)哪雺和瑯幽苓_到理想的壓實度。高液限黏土僅限于上、下路堤填筑使用，工程中對公路路基填料最小強度要求見表2。

表2 高速公路高液限土路基填筑最小強度、壓實度和最大粒徑要求

在用高液限紅黏土作為路基填土?xí)r必須嚴(yán)格控制填筑碾壓時的含水率，碾壓前進行翻土晾曬，確保含水率在保證路基強度與穩(wěn)定性的范圍內(nèi)。

1.2 高液限黏土的改良

高液限黏土不能直接用于路床填筑。該高速公路改擴建時，為充分利用高液限黏土，對高液限紅黏土摻碎石進行改良，改良效果見圖1。

圖1 摻碎石高液限黏土重型擊實試驗結(jié)果

由圖1可知：摻入碎石后，碎石粗顆粒在高液限黏土土體中形成骨架，土體填充在其中，密實度增加，干密度增大。摻碎石量過少時，碎石無法充當(dāng)骨架作用；摻碎石量為40%時，壓實度迅速上升，干密度迅速增大；摻碎石量為50%時，壓實度上升趨勢變緩。從工程安全性和經(jīng)濟性出發(fā)，摻40%碎石對高液限黏土進行改良處理，滿足路基設(shè)計規(guī)范的要求(壓實度不小于96%，CBR值不小于8%，裂縫寬度不超過5 mm)。

綜上，高液限黏土只要滿足規(guī)范要求就能用于上路堤(94區(qū))和下路堤(93區(qū))填筑；而路床(96區(qū))填筑如需利用高液限黏土，則需摻40%碎石。

2 有限元模型建立

2.1 路基結(jié)構(gòu)

該高速公路寬度為27 m，設(shè)計行駛速度為100 km/h，路面材料為瀝青砼，原為雙向四車道，現(xiàn)因交通量需求改為雙向六車道。路基拓寬方式為雙側(cè)拓寬，兩側(cè)各拓寬7.5 m，路基高度9 m。地基分兩層，第一層為11.5 m深軟弱土，第二層為8 m深粉質(zhì)黏土。新路基分為3層，93、94區(qū)(0.7 m)為低液限黏土，96區(qū)(0.8 m)為高液限黏土+40%碎石。軟土地基上設(shè)置圓管涵，圓管涵洞外徑1.5 m，壁厚0.1 m，涵頂填土高度8 m。軟土進行樁處理，樁體直徑0.5 m，長度11.5 m，間距1.0 m(見圖2)。

圖2 有限元計算模型幾何尺寸(單位：m)

2.2 計算區(qū)域與邊界條件

使用ABAQUS建立路基三維有限元分析模型，路基區(qū)域以外取2倍路基寬度，即21 m×2=42 m。路基內(nèi)部設(shè)置砼涵管，外徑1.5 m，壁厚0.1 m。為模擬涵管對路基的影響，路基沿線路方向取3倍涵管外徑厚度，即1.5 m×3=4.5 m。粉噴樁直徑為0.5 m，長度為11.5 m，間距為1.0 m，樁體網(wǎng)格單元使用八節(jié)點線性六面體單元(C3D8)。

2.3 網(wǎng)格劃分

以路堤中心與水平地面為原點，取結(jié)構(gòu)一半為研究對象。側(cè)面約束水平向位移，地面約束豎向位移。網(wǎng)格單元使用八節(jié)點線性六面體單元(C3D8)，映射網(wǎng)格劃分(見圖3)。

圖3 路基拓寬三維網(wǎng)格劃分

2.4 材料屬性

路基填料及地基土都使用Mohr-Coulomb模型、非關(guān)聯(lián)流動法則，樁及圓管涵選用理想線彈性模型，模型參數(shù)見表3。地基土固結(jié)過程使用ABAQUS提供的流體滲透/應(yīng)力耦合模塊進行模擬，回彈模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角由土工試驗和地質(zhì)勘察報告確定，泊松比按規(guī)范選取。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在開挖臺階的基礎(chǔ)上對軟土進行粉噴樁處治，對模擬對象進行加載，填土加載高度分別為1.6、3.2、4.2、5.2、6.2、7.2、8.2、9 m，模擬加載過程中軟土地基上圓管涵的應(yīng)力變化。圖4為各級加載高度下豎向應(yīng)力云圖。

表3 軟土地基改擴建模型參數(shù)

圖4 各級加載高度下豎向應(yīng)力云圖(單位：N)

由圖4可知：加載到1.6 m時，填土頂端區(qū)域數(shù)值為負(fù)，說明填土受到由于自重引起的壓應(yīng)力；加載到3.2 m時，填土頂端區(qū)域數(shù)值變成正，說明填土頂端受到拉應(yīng)力。加載高度為1.6 m時，由于加載高度小，填土頂端區(qū)域受到壓應(yīng)力；加載高度為3.2～9 m時，填土頂端拉應(yīng)力變化很大，涵洞附近應(yīng)力值變化很大，說明周圍土體對圓管涵產(chǎn)生應(yīng)力集中；新老路堤的壓應(yīng)力變小，且變化緩慢，涵洞對周圍土體有應(yīng)力消散的作用。隨著填土高度的增加，最大沉降發(fā)生在涵頂?shù)穆坊鶇^(qū)域，而且沉降隨高度增加而增加，老路堤地基固結(jié)已基本完成，相對于新路堤地基沉降小很多。填土高度增加時，填料對老路堤邊坡產(chǎn)生的附加應(yīng)力越來越大，使老路堤產(chǎn)生附加沉降，形成離路中心越遠(yuǎn)則沉降越大的趨勢。

如圖5所示，經(jīng)粉噴樁處理后，路基頂部沉降從路基中線至拓寬路基路肩處逐漸增大，且隨著加載高度增加，拓寬路基部分沉降增加幅度增大。這是因為隨著填料加載高度的增加，靠近新老路堤的地基產(chǎn)生的附加沉降增大，原有路基僅在拓寬路基邊載作用下產(chǎn)生很小的豎向位移?？傮w來說，經(jīng)粉噴樁處理后，路基沉降整體較小。加載高度為3.2 m時，由附加應(yīng)力引起的附加沉降為5 mm；加載高度為4.2 m時，差異沉降為6 mm；加載高度為5.2 m時，差異沉降為7 mm；加載高度為9 m時，差異沉降達15.1 mm。隨加載高度增加，路基差異沉降增大。加載高度為1.6、3.2、4.2、5.2、6.2、7.2、8.2、9 m時，對應(yīng)路基最大沉降分別為2.7、5、7.2、9、11.8、15.2、18.5、22.3 mm。

圖5 不同加載高度下新路基沉降曲線

如圖6和圖7所示，隨加載高度增加，地基最大沉降增加。填土高度為3.2 m時的差異沉降為2.0-0=2.0 cm，4.2 m時的差異沉降為2.4-0.1=2.3 cm，5.2 m時的差異沉降為2.8-0.2=2.6 cm，6.2 m時的差異沉降為3.3-0.4=2.9 cm。按此規(guī)律，每加載1 m，施工沉降為0.3 cm，加載到9 m時，新路基已施工完畢，差異沉降為3.5-0.8=2.7 cm，軟土地基處理恰當(dāng)，滿足工程要求。

圖6 不同加載高度下新地基最大沉降

圖7 不同加載高度下新路基最大沉降曲線

4 結(jié)論

(1) 高液限紅黏土的最佳含水率為19.4%，CBR值在4.3以上，能滿足上下路堤的填筑要求。在偏濕狀態(tài)下進行碾壓，可提高工作效率。

(2) 對高液限紅黏土摻加40%碎石進行改良可滿足路基填筑要求，填筑時應(yīng)控制好含水率，必要時在碾壓前進行翻土晾曬。

(3) 隨填土高度增加，周圍土體對涵洞產(chǎn)生應(yīng)力集中，涵洞對路基有應(yīng)力分散的作用；經(jīng)過粉噴樁處理后，路基差異沉降為2.7 cm，軟土地基處理恰當(dāng)。