高速公路路基拓寬中的軟土地基處理技術(shù)

王帥，魏斌斌

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，成都610041）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，我國(guó)高速公路建設(shè)里程數(shù)逐年增加。但是我國(guó)地域遼闊，每個(gè)地區(qū)的地形地貌、水文地質(zhì)情況等差異十分明顯，高速公路拓寬工程建設(shè)期間會(huì)不可避免地出現(xiàn)軟土。如果軟土地基處治措施選擇不合理，加寬路基可能出現(xiàn)大面積沉降，容易導(dǎo)致邊坡滑塌、路面裂縫等病害。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法研究了公路路基拓寬中的軟土地基的處理技術(shù)及處置效果，并取得了一些有價(jià)值的研究成果[1]，但是對(duì)于軟土地基處治技術(shù)對(duì)新老路基的不均勻沉降的影響仍沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)知。因此，研究高速公路路基拓寬中的軟土地基處理具有十分重要的工程意義。

2 軟土地基路基拓寬問(wèn)題及沉降計(jì)算

2.1 軟土地基處治目的

軟土地基往往含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性強(qiáng)等[2]。目前，在軟土地基上加寬高速公路路基可能出現(xiàn)以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）路基加寬會(huì)增加軟基上部荷載，使土體中附加應(yīng)力增加，從而使土層產(chǎn)生較大的豎向壓縮。而舊路基經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的固結(jié)，沉降變形已經(jīng)很小，新老路基之間會(huì)存在沉降差，容易出現(xiàn)地基承載力不足、路堤邊坡失穩(wěn)、路面裂縫等病害。（2）公路新老路基結(jié)合位置的施工技術(shù)復(fù)雜，施工質(zhì)量控制難度大，應(yīng)避免軟基處理與路堤填筑相互干擾。（3）路基拓寬后地沉降變形等于軟基沉降與路堤自身壓縮之和，故不僅要采用合理的處理措施減小軟基變形，還應(yīng)確保路堤填料具有小容重和大剛度，以降低施加在軟土地基上的外部荷載。

2.2 軟土地基沉降組成

在高速公路改擴(kuò)建工程中，軟基變形計(jì)算可利用分層總和法，沉降變形可分為瞬時(shí)沉降（Sd）、主固結(jié)沉降（Sc）和次固結(jié)沉降（Ss）3 個(gè)階段[3]。其中，Sd是在加載瞬間（t=0）產(chǎn)生的，孔隙水壓力難以排出，土骨架不承受有效應(yīng)力，只有形狀變形而不產(chǎn)生體積壓縮，沉降量與加載速率有關(guān)；Sc是軟土地基沉降的主要組成，在荷載作用下，隨著固結(jié)時(shí)間的增加（0＜t＜+∞）土體中超靜孔隙水壓力不斷消散，孔隙體積不斷減小，土骨架承受的應(yīng)力逐漸增加，導(dǎo)致土體產(chǎn)生沉降，沉降量與壓縮時(shí)間呈正相關(guān)；Ss發(fā)生在主固結(jié)沉降基本完成之后（t=+∞），土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力不變，土體產(chǎn)生蠕變而導(dǎo)致土體變形量繼續(xù)增加，軟土路基沉降固結(jié)模型如圖1 所示（圖中，p 為附加應(yīng)力；h為固結(jié)初期水頭；h'為固結(jié)結(jié)束后的水頭；γw為水的重度）。

圖1 軟土地基沉降組成部分

3 高速公路拓寬中軟土地基處理措施

3.1 淺層軟土地基處理

3.1.1 換土墊層法

換填法屬于淺層軟基處理措施，其基本原理是把地面線(xiàn)高程以下（小于3 m）的軟土層挖除，換填強(qiáng)度大、水穩(wěn)定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯壓密實(shí)，以提高地基的承載力，減小地基及其下臥層的沉降變形。

3.1.2 鋪土工格柵

在高速公路拓寬項(xiàng)目中的軟基上鋪土工格柵，不僅可以減小地基沉降變形，還能提高新老路基之間的整體穩(wěn)定性，減少二者之間的差異性沉降。

土工格柵加入軟土地基中會(huì)形成加筋土，提高軟土的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度、降低其壓縮性，加固機(jī)理為：土工格柵表面粗糙，呈凹凸不平的狀態(tài)，可以和土顆粒很好地結(jié)合在一起，相互作用不至于輕易脫離，二者之間的相互作用主要體現(xiàn)摩擦力和咬合力的提高。即當(dāng)外力作用在土顆粒期間，土工格柵和土體壓縮彈性模量不同，則其在外力作用下抵抗變形能力也不一樣，兩者之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，從而使土顆粒和土工格柵的接觸位置產(chǎn)生摩擦力和咬合力，這樣會(huì)提高土體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，從而改善土體的變形性能。同時(shí)，土顆粒和土工格柵發(fā)生錯(cuò)動(dòng)使纖維受拉，出現(xiàn)界面應(yīng)力，此界面應(yīng)力會(huì)限制土工格柵的相對(duì)滑動(dòng)，使土工格柵必然會(huì)承受一定的拉應(yīng)力。由于土工格柵的抗拉性能良好，可以為土體分擔(dān)一部分的外部荷載，相當(dāng)于減少了土體本身的荷載。

3.1.3 采用輕質(zhì)填料

輕質(zhì)材料一般重度較小，公路加寬部分填筑采用輕質(zhì)材料能有效地降低作用在軟土地基上的荷載，從而減小土體中的附加應(yīng)力和沉降變形。常用的路堤輕質(zhì)填料有二灰（石灰、粉煤灰）輕質(zhì)填料和泡沫混凝土輕質(zhì)填料，前者適用于老路沉降未穩(wěn)定，且對(duì)環(huán)境敏感度較低的路段；后者適用于沉降速率大，對(duì)路基震動(dòng)有特殊要求的地段。同時(shí)，在填筑輕質(zhì)材料路段和一般路基之間要開(kāi)挖臺(tái)階設(shè)置過(guò)渡段，臺(tái)階高度在0.5~1.0 m，坡比宜為 1∶1~1∶2，以確保道路的整體穩(wěn)定性。

3.2 深層軟土地基處理

3.2.1 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁一般適用于橋頭、拼寬寬度大，老路沉降基本穩(wěn)定的軟土路段，處治深度一般在8~20 m。根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，高速公路改擴(kuò)建軟基處治中的水泥攪拌樁應(yīng)按梅花形布置，樁頂鋪20 cm 碎石層，樁徑取350~500 mm，樁長(zhǎng)與樁間距可按照巖土勘察報(bào)告中的地勘參數(shù)利用理正巖土或有限元軟件計(jì)算確定。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁屬于剛性樁，一般用于處理軟土地基上荷載大、變形控制嚴(yán)格的高路堤或橋頭和路堤過(guò)渡段，處治深度可達(dá)12~20 m。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁宜采用正方形布置，場(chǎng)地允許可通過(guò)靜壓法沉樁。

4 高速公路拓寬中軟土地基處理效果評(píng)價(jià)

某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目采用單側(cè)加寬方式改造，沿線(xiàn)的地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位較低，沿線(xiàn)存在淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層。本文以K15+752 里程處軟土路基為研究對(duì)象，軟土厚度平均在12 m，擬采用水泥攪拌樁處理，采用有限差分軟件FLAC3D5.0 分析了對(duì)地基加固前后新老路基的不均勻沉降變形規(guī)律。

4.1 軟土路基加寬計(jì)算模型建立

FLAC3D 軟件計(jì)算軟土路基沉降理論是基于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，該模型計(jì)算參數(shù)簡(jiǎn)單，只需測(cè)定土體的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、彈性模量即可，路基填料和軟土層的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、彈性模量分別為21 kN/m3、24 kPa、26°、0.28、36 MPa 和 18 kN/m3、15 kPa、12°、0.3、22 MPa。同時(shí)水泥攪拌樁的模擬板單元（樁長(zhǎng)13 m、樁徑1.2 m、樁間距1.5 m），抗彎剛度取 6×104kPa/m2，軸向剛度取 2.8×106kN/m。

計(jì)算模型的單元?jiǎng)澐植捎萌切?，網(wǎng)格尺寸取1 m，共劃分3 824 個(gè)單元，2 678 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型底部為不透水邊界，路堤頂部和邊坡坡面是自由邊界，地基土進(jìn)行水平約束，如圖2所示。

圖2 軟土路基未加固前有限元計(jì)算模型

4.2 軟土路基加寬不均勻沉降分析

分別在老路路基中心、新舊位置結(jié)合處、加寬路基邊緣設(shè)計(jì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1#、2#、3#，得出水泥攪拌樁法處治前后路基的沉降量如圖3 所示。

圖3 軟土地基加固后沉降變形

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：老路路基中心沉降量最大，加寬路基邊緣處沉降量最小。由于軟土地基在處置后承載能力有明顯的提升，軟土地基在水泥攪拌樁處治前后，1#、2#、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量均出現(xiàn)大幅降低，處治前路基最大沉降量為15.3 cm，處治前路基最大沉降量為6.4 cm，沉降變形減小了58.2%。這說(shuō)明水泥攪拌樁用于高速公路拓寬項(xiàng)目的軟基處理是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了高速公路拓寬項(xiàng)目中常見(jiàn)的軟土處治措施特點(diǎn)和處治效果，得到了以下結(jié)論：

1）路基加寬會(huì)增加軟基的上部荷載，在土中產(chǎn)生附加應(yīng)力，并出現(xiàn)較大的沉降變形，會(huì)導(dǎo)致新老路基之間產(chǎn)生不均勻沉降；

2）高速公路路基加寬的軟基處治分為淺層處治措施和深層處治措施，前者包括換土墊層法、鋪土工格柵、采用輕質(zhì)填料等，后者包括水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等；

3）軟土路基在經(jīng)水泥攪拌樁法處理后，承載能力大幅提升。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量有明顯減小。