幾種常規(guī)軟土路基處理方法加固效果對(duì)比分析

王思偉

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)公路工程建設(shè)正如火如荼進(jìn)行中。工程建設(shè)過(guò)程中會(huì)不可避免遇到軟土路基情況，這就需要采取合適的路基處理方法進(jìn)行有效處理，改變?cè)熊浲谅坊牧W(xué)性能，使其滿(mǎn)足工程需要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，主要有：李世洋等[1-2]以某軟土地基處理工程為依托，針對(duì)碎石樁加固、CFG樁加固以及碎石樁與CFG樁聯(lián)合加固3種不同軟土路基加固形式，利用PLAXIS有限元軟件計(jì)算位移、樁間土應(yīng)力，對(duì)比分析了3種方法的加固效果及經(jīng)濟(jì)性；歐陽(yáng)志等[3]以某高速公路改擴(kuò)建工程橋頭回填路基的加固處理為例，分析土工格柵加固方法處理“橋頭跳車(chē)”的可行性，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，土工格柵加固方法效果明顯，可應(yīng)用于新建高速公路路基加固工程；宋修廣等[4]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)針對(duì)夯擊能2 000 kN·m時(shí)動(dòng)應(yīng)力衰減規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析；顧軍明等[5-6]以某市政道路地基處理工程為例，分別采用高真空擊密法、低位高真空分層預(yù)壓擊密法及真空預(yù)壓法對(duì)試驗(yàn)段路基進(jìn)行多方案軟土加固處理的對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比處理前后的軟土靜力觸探曲線(xiàn)，分析了3種軟基處理方法的加固效果及適用性。本文主要以某路基工程為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)幾種常規(guī)路基處理方法的加固效果進(jìn)行對(duì)比分析，以期研究結(jié)果為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

某擬建鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路路基頂部寬度為4 m，路基邊坡坡度為1∶1.5。從上至下共分為4個(gè)土層，即碎石層、換填砂礫層、粉質(zhì)黏土層以及砂土層。粉質(zhì)黏土層顏色為褐色，土較顆粒較細(xì)，粘性土吸水能力強(qiáng)、毛細(xì)現(xiàn)象比較明顯，含水率與季節(jié)呈現(xiàn)一定相關(guān)性。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

圖1為采用FLAC3D軟件得到的常規(guī)路基數(shù)值模型圖，各個(gè)土層的參數(shù)及厚度如表1所示。建模過(guò)程中x軸(模型底部)取7 m，y軸取1.5 m，z軸取2.1 m，坐標(biāo)中心位于路基中心位置。

為了對(duì)比分析不同路基處理方法的處理效果，本文共建立4個(gè)模型，分別為模型1(常規(guī)換填)、模型2(采用土工格柵)、模型3(采用格賓網(wǎng))、

圖1 常規(guī)路基數(shù)值模型圖

表1 土體材料的物理力學(xué)指標(biāo)材料密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa厚度/m碎石2 20024.00.323812.00.1換填砂礫1 95045.00.33350.00.4粉質(zhì)粘土1 8504.50.321515.00.8砂土2 10021.00.36349.50.8

模型4(采用土工格柵+格賓網(wǎng))。圖2為模型2和模型4的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中土工格柵位置在換填砂礫層和粉質(zhì)黏土層交界面，格賓網(wǎng)的上部位于碎石層和換填砂礫層交界面，厚度為0.2 m。表2為加固材料的物理力學(xué)指標(biāo)。模擬過(guò)程中，格賓網(wǎng)與碎石層、換填砂礫層以及土工格柵與換填砂礫層的界面參數(shù)如表3所示。

表2 加固材料的物理力學(xué)指標(biāo)材料密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比厚度/m單位面積質(zhì)量/(kN·m-2)最大拉力/kN土工格柵—4.0×1040.30.0033.0×10-320.0格賓網(wǎng)2 4002000.3———

表3 模擬采用的界面參數(shù)接觸類(lèi)型粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)法向剛度Kn/(N·m-3)切向剛度Ks/(N·m-3)格賓網(wǎng)與碎石層22341×1091×109格賓網(wǎng)與換填砂礫層26381×1091×109土工格柵與換填砂礫層6040——

2.2 加載方式

汽車(chē)荷載為道路運(yùn)行過(guò)程中最主要的荷載之一，本文參照規(guī)范《道路車(chē)輛外廓尺寸軸載及質(zhì)量限值》(GB1589—2016)，取車(chē)輛軸載為130 kN，車(chē)輛寬為2.5 m，車(chē)輛輪距為1.8 m，單側(cè)輪胎與地表的接觸面積尺寸取0.6 m×0.2 m。

a)土工格柵

b)土工格柵和格賓網(wǎng)

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 路基沉降分析

圖3為不同模型路基表面沉降曲線(xiàn)。由圖可知，對(duì)于車(chē)輛加載附近的沉降值，模型1為最大，其次是模型2和3，最小的是模型4，4個(gè)模型的最大沉降值依次為48.8、30.3、26.1、23.9 mm。由此可知，采用鋪設(shè)土工格柵、格賓網(wǎng)、土工格柵+格賓網(wǎng)的措施分別能使沉降較常規(guī)換填方案減小37.9%、46.5%、51.0%。對(duì)比模型1和2可以發(fā)現(xiàn)，土工格柵能有效減小車(chē)輛荷載附近的沉降，但不能減小路基差異沉降；對(duì)比模型1、2和3可知，采用格賓網(wǎng)不僅能有效減少車(chē)輛荷載附近的沉降，而且對(duì)減小路基差異沉降效果明顯。對(duì)比模型3和4，可以看出，采用土工格柵+格賓網(wǎng)二者結(jié)合的處理方法，其處理效果略好于單獨(dú)使用格賓網(wǎng)，但差別不明顯。

圖3 不同模型路基沉降對(duì)比圖

3.2 路基側(cè)向位移分析

圖4為不同模型的路基側(cè)向位移曲線(xiàn)，由于模型對(duì)稱(chēng)，以左側(cè)路基邊坡為例。由圖可知，隨著深度增加，路基側(cè)向位移逐漸增大，在坡腳位置位移達(dá)到最大。對(duì)于模型1，從上至下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值分別為13.8、15.7、27.2和37.8 mm；采用模型2時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)位移分別減小87.0%、80.9%、76.1%和71.7%;采用模型3時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)位移分別減小94.2%、93.0%、84.6%和78.0%；采用模型4時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)位移分別減小95.7%、93.6%、93.8%和86.2%。綜上所述，相對(duì)于常規(guī)換填方法，采用鋪設(shè)土工格柵、格賓網(wǎng)、土工格柵+格賓網(wǎng)的措施能使路基側(cè)向位移分別減小71.7%、78%和86.2%以上。

圖4 不同模型路基側(cè)向位移對(duì)比圖

3.3 路基土壓力分布分析

圖5為不同深度下不同模型的土壓力分布情況，本文選取深度0.05、0.15、0.40 m進(jìn)行分析，分別代表路基淺層、中層和深層的土壓力分布情況。由圖可知，對(duì)于路基淺層位置，除了車(chē)輛加載位置附近，各個(gè)模型的土壓力分布基本相同，采用土工格柵時(shí)路基應(yīng)力較其余三者要小。對(duì)于路基中層和深層位置，4個(gè)模型中模型1、3和4土壓力峰值較大，模型2對(duì)應(yīng)的值最小。此外，對(duì)比3個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著深度增加，土壓力值逐漸下降，尤其是采用土工格柵時(shí)下降幅度最大，說(shuō)明采用加固措施時(shí)，加固體能起到應(yīng)力傳遞作用，使路基應(yīng)力比較均勻。

a)深度0.05 m

b)深度0.15 m

c)深度0.40 m

4 結(jié)論

以某路基工程為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同路基處理方法的加固效果進(jìn)行對(duì)比分析，并主要對(duì)路基沉降、側(cè)向位移以及土壓力分布進(jìn)行了詳細(xì)介紹，得到以下結(jié)論：

1) 常規(guī)換填方法一般很難滿(mǎn)足工程需要，采用土工格柵和格賓網(wǎng)均能有效減小路基沉降，相對(duì)于土工格柵，格賓網(wǎng)不僅更能有效減小路基沉降，還能明顯減小路基差異沉降。采用土工格柵+格賓網(wǎng)二者結(jié)合的處理方法，其處理效果略好于單獨(dú)使用格賓網(wǎng)，但差別不明顯。

2) 相對(duì)于常規(guī)換填方法，采用鋪設(shè)土工格柵、格賓網(wǎng)、土工格柵+格賓網(wǎng)的措施能使路基側(cè)向位移分別減小70%、75%和85%以上。

3) 加固體能起到應(yīng)力傳遞作用，可使路基應(yīng)力減小且變化比較均勻，3種措施中土工格柵效果最好。