公路軟土路基加固及沉降分析

黃曉

摘 要：為了提高軟土地區(qū)公路工程建設(shè)水平，首先總結(jié)了軟土路基常見(jiàn)加固措施的特點(diǎn)及作用機(jī)理，隨后以國(guó)道G205線蕉嶺縣文福至新鋪段改建工程為研究對(duì)象，利用有限元軟件PLAXI8.0分析了軟土路基在水泥攪拌樁處治前后的沉降規(guī)律，并探討了樁間距、樁長(zhǎng)、填土壓實(shí)度等參數(shù)對(duì)軟土路基沉降的影響規(guī)律，為類(lèi)似的軟土路基處治提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：公路;軟基;沉降規(guī)律;加固措施

0 引言

隨著基礎(chǔ)交通設(shè)施的投資力度不斷加大，公路工程建設(shè)步伐日益加快，同時(shí)我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，公路在建設(shè)期間可能會(huì)遇到淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層。軟土具有含水量高、壓縮系數(shù)大、承載力小等特點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程師也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等方法分析公路軟土路基加固方法及變形規(guī)律，如鄒建洲[1]依托某高速公路，分析了軟土路基的施工方法，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律;呂高航等[2]以某軟土路基為研究對(duì)象，研究了CFG樁和水泥攪拌樁對(duì)軟土路基的加固效果，并分析了填土高度和填土速率對(duì)軟土路基沉降的影響規(guī)律。因此，研究公路軟土路基加固及沉降規(guī)律具有十分重要的工程意義。

1 公路軟土路基常見(jiàn)加固措施

相對(duì)于碎石、砂礫土等優(yōu)質(zhì)路基填料而言，軟土具有承載力低、含水率高、流變性明顯特點(diǎn)，屬于不良地質(zhì)的范疇，不宜在軟土地基上直接填筑路基或?qū)④浲磷鳛槁坊盍?。在軟土地基上填筑路基之前，?yīng)先對(duì)軟土地基進(jìn)行處理[3]。

1.1 換填法

換填法在軟土地基處理中的應(yīng)用范圍最廣，是將地基中的軟土挖除，再分層回填壓實(shí)強(qiáng)度高、顆粒級(jí)配良好、透水性好的砂石料作為路基持力層，如圖1所示：

換填法施工方法簡(jiǎn)單，造價(jià)低，適用于軟土深度不超過(guò)3 m的地基處理。經(jīng)過(guò)換填法處治的軟土地基物理力學(xué)性能明顯提高，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[3]：一方面，地基沉降量降低。換填后軟土地基密實(shí)度高，能夠更好的擴(kuò)散作用在土基上的應(yīng)力，從而降低路基沉降變形;另一方面，加快地基排水固結(jié)。砂石料孔隙大、透水性好，土層間孔隙水壓力容易消散，排水固結(jié)速度快。

1.2 注漿法

注漿法就是將能固化漿液通過(guò)注漿孔注入軟土地基中，并通過(guò)擠壓周?chē)馏w來(lái)改善軟土的強(qiáng)度指標(biāo)，提高其承載能力和施工質(zhì)量。常用的注漿材料有水泥漿、硅化液、堿液等，注漿液的具體用量Q計(jì)算可參考下式：

式中：—待處理軟土的體積，m3;—軟土孔隙率，%;—注漿液的相對(duì)密度，無(wú)量綱;—孔隙填充系數(shù)，與土體性質(zhì)有關(guān)，一般取0.6～0.8。

1.3 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，是通過(guò)起重裝置將一定重量的夯錘抬高至設(shè)計(jì)高度，隨后使夯錘脫鉤自由降落，利用夯錘的沖擊能來(lái)夯實(shí)軟土地基，以提高其強(qiáng)度與承載力。強(qiáng)夯法的加固機(jī)理是基于動(dòng)力固結(jié)理論，即夯錘下降沖擊雜填土，在土層中產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力波，使得土體原來(lái)的骨架結(jié)構(gòu)破壞，空氣和水分被壓縮，加速土體的固結(jié)。同時(shí)，土顆粒間距減小，孔隙體積降低，形成新的土骨架結(jié)構(gòu)。

1.4 水泥土攪拌樁加固

水泥在軟土地基中攪拌形成復(fù)合地基，將原地基分成加固區(qū)和非加固區(qū)。水泥土攪拌樁可分為噴漿型和噴粉型兩種，根據(jù)需求選取不同的施工方式。噴漿型攪拌樁施工較為簡(jiǎn)單，只需在軟土地基中拌入一定配合比的水泥漿，將水泥漿攪拌均勻即可;而噴粉型攪拌樁施工過(guò)程中需要借助機(jī)械設(shè)備進(jìn)行水泥粉體攪拌，之后通過(guò)壓縮空氣將水泥粉均勻噴灑進(jìn)軟土地基中，依靠機(jī)械鉆頭或者翼片的旋轉(zhuǎn)將水泥粉和軟土均勻混合，從而形成粉噴樁[4]。

水泥土攪拌樁加固軟土地基的影響因素有：齡期、水泥的摻入比和標(biāo)號(hào);土樣的種類(lèi)、含水量、有機(jī)質(zhì)含量;外加劑;養(yǎng)護(hù)方法。如下圖2所示：

2 公路軟土路基沉降計(jì)算理論

2.1 軟土固結(jié)理論

在公路工程建設(shè)期間，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）三個(gè)階段，其中Sd是在加載瞬間（t=0）產(chǎn)生的，此時(shí)孔隙水壓力難以排出，土顆粒骨架不承受有效應(yīng)力，只有形狀變形而不產(chǎn)生體積壓縮，沉降變形與加載速率密切相關(guān);Sc是軟土軟土地基沉降的主要組成部分。在荷載作用下，土體中超靜孔隙水壓力會(huì)隨著固結(jié)時(shí)間的增加（0

2.2 土體屈服準(zhǔn)則

路基土體計(jì)算采用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，該模型在模擬路堤填土力學(xué)變形所需的參數(shù)容易測(cè)定，同時(shí)可以考慮填土的抗壓強(qiáng)度，還能夠彌補(bǔ)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則導(dǎo)數(shù)在節(jié)點(diǎn)處的不連續(xù)問(wèn)題。D-P準(zhǔn)則屈服時(shí)與破壞面函數(shù)是：

式中：、為屈服材料常數(shù);—第一應(yīng)力不變量;—第二偏應(yīng)力不變量?！畲笾鲬?yīng)力;—中間主應(yīng)力;—最小主應(yīng)力。

3 公路軟土路基沉降計(jì)算及加固效果評(píng)價(jià)

3.1 工程背景

本文擬利用有限元軟件PLAXI8.0分析軟土路基沉降變形規(guī)律及加固效果，研究對(duì)象為位于蕉嶺縣蕉城鎮(zhèn)、新鋪鎮(zhèn)的國(guó)道G205線蕉嶺縣文福至新鋪段改建工程，路線起點(diǎn)在蕉城鎮(zhèn)樟坑天汕高速文福出口，終點(diǎn)在新鋪大和亭與梅縣交界處，全長(zhǎng)約21.8公里。沿線部分路段存在淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層，厚度較大，天然狀態(tài)下地基土承載力不能滿足路基填筑要求，擬采用水泥攪拌樁進(jìn)行處理。

3.2 軟土路基有限元模型

3.2.1 計(jì)算參數(shù)選取

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，有限元法在公路軟土路基計(jì)算中的應(yīng)用日益廣泛，故采用有限元軟件PLAXI8.0來(lái)分析軟土路基沉降變形規(guī)律及影響因素，計(jì)算斷面選擇樁號(hào)K2549+630。模型中路堤邊坡最大高度為16 m，填料擬采用碎石土，分兩級(jí)來(lái)填筑，每級(jí)填土高度是8 m，邊坡從上至下坡比分別為1：1.5、1：1.75，平臺(tái)寬2 m。地基土層分兩層，分別為11 m淤泥、淤泥質(zhì)土和基巖。擬采用水泥攪拌樁法處治，按梅花型布置，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)12 m、樁間距1.5 m、樁直徑0.6 m。為了提高計(jì)算的精確性，計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)必須經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值，填料和地基土計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表1：

3.2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

相關(guān)分析成果表明，網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模型計(jì)算結(jié)果和計(jì)算效率影響較大。在綜合考慮軟土路基沉降精確度和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度前提下，利用PLAXI8.0中的二維實(shí)體單位PLANE42對(duì)路基進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸選1.5 m，CFG加固區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺寸選1 m，共劃分出單元2 472個(gè)，節(jié)點(diǎn)3 088個(gè)。此外，水泥攪拌樁在施工期間，樁間土不僅與樁共同承擔(dān)外荷載，還會(huì)受到樁側(cè)摩阻力。但是水泥攪拌樁的剛度要遠(yuǎn)大于土體材料，不適合D-P屈服準(zhǔn)則，可用線彈性計(jì)算模型。樁-土接觸面采用罰函數(shù)模擬。

路基模型底部為不透水邊界，并對(duì)其X方向、Y方向、Z方向完全約束;路堤頂部和邊坡坡面為自由邊界，可發(fā)生豎向壓縮變形和水平位移;地基進(jìn)行X方向約束，只產(chǎn)生豎向壓縮變形[6]。

3.3 軟土路基沉降計(jì)算結(jié)果

從道路中心線開(kāi)始，每隔2 m布置一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得出軟土路基加固前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向壓縮變形結(jié)果如圖3所示：

圖3表明：公路軟土路基中心點(diǎn)處總沉降變形最大，且距離路基中心越遠(yuǎn)，路基沉降量越小，但是減小速率基本呈先慢后快的趨勢(shì)。軟基未處治之前，路基最大沉降量為18.6 cm。路基在經(jīng)水泥攪拌樁法處理后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量均出現(xiàn)一定程度降低，此時(shí)路基最大沉降量為5.6 cm，減小了69.8%。這表明軟土地基在經(jīng)水泥攪拌樁法加固后，其承載能力和整體穩(wěn)定性有明顯的提升，使得路基在相同荷載下產(chǎn)生的壓縮沉降降低。

3.4 軟土路基沉降影響因素

3.4.1 樁間距的影響

在其它計(jì)算參數(shù)不變的情況下，利用PLAXI8.0建立水泥攪拌樁間距分別為9 m、12 m、15 m、18 m、21 m的軟土路基模型，得到了路堤處治后最大位移和最大應(yīng)力隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律，見(jiàn)圖4：

圖4表明：軟土路基最大沉降隨著樁間距增加而不斷增大趨勢(shì)，且兩者之間基本呈線性正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)水泥攪拌樁布置間距從1.5 m提高至3 m時(shí)，路基最大沉降增加了33.4%。同時(shí)，隨著水泥攪拌樁布置間距的增加，路基最大應(yīng)力也逐漸增加，但增加速率有變緩的趨勢(shì)。即當(dāng)樁間距小于2 m時(shí)，路基最大應(yīng)力快速增加，反之，路基土應(yīng)力變化不明顯。因此，建議采用水泥攪拌樁技術(shù)處治軟土路基時(shí)，樁間距不宜超過(guò)2 m。

3.4.2 樁間距的影響

在其它計(jì)算參數(shù)不變的情況下，利用PLAXI8.0建立水泥攪拌樁長(zhǎng)度分別為1.5 m、2 m、2.5 m及3.0 m的軟土路基模型，得到了路堤處治后最大位移和最大應(yīng)力隨樁間距的變化規(guī)律，見(jiàn)圖5：

圖5表明：隨著樁長(zhǎng)增加，路基最大沉降呈減小趨勢(shì)，其中路堤豎直向最大位移均大于水平向最大位移。樁長(zhǎng)從10 m增至12 m，路基沉降降低速率最快。當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)18 m，繼續(xù)增加對(duì)路基沉降改善效果不明顯。而路基最大應(yīng)力隨著水泥攪拌樁長(zhǎng)度的變化沒(méi)有規(guī)律性，基本呈波浪形波動(dòng)，波動(dòng)范圍在10 kPa之內(nèi)。在綜合考慮施工難度、施工成本、改良效果等因素后，建議水泥攪拌樁技術(shù)處治軟土路基時(shí)樁長(zhǎng)可取12 m～14 m之間。

3.4.3 填土壓實(shí)度的影響

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）要求填方路基壓實(shí)度不得小于90%，故填土模擬壓實(shí)度分別取0.90、0.92、0.94、0.96、0.98。在其它參數(shù)不變的情況下，得到了不同壓實(shí)度下軟土路基最大沉降量如圖6所示：

圖6表明：公路軟土路基最大沉降量隨填土壓實(shí)度的提高而不斷降低，當(dāng)路基施工壓實(shí)度從90%提高到98%，路基最大沉降從7.8 cm減小至6.2 cm，減少了20.5%。這是因?yàn)楣仿坊钔翂簩?shí)度增加，會(huì)提高填料抗剪強(qiáng)度和壓縮模量，降低路基的可壓縮性、提高其整體穩(wěn)定性，使得路基沉降減小。同時(shí)，當(dāng)提高填土壓實(shí)度至某一臨界值（96%）后，對(duì)軟基沉降變形的降低效果并不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

分析了軟土路基的常見(jiàn)加固方法，并依托某公路項(xiàng)目，利用有限元軟件得到了軟土路基加固前后的沉降變形規(guī)律，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）軟土具有承載力低、含水率高、流變性明顯等特點(diǎn)，常見(jiàn)的處理方法有換填法、注漿加固、強(qiáng)夯法、水泥攪拌樁等;

（2）軟基路基沉降變形隨著加載時(shí)間的增加而不斷增大，基本可分成瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三個(gè)階段;

（3）軟土地基在經(jīng)水泥攪拌樁法加固后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量均出現(xiàn)一定程度降低，其承載能力和整體穩(wěn)定性有明顯的提升;

（4）隨著樁間距減小、樁長(zhǎng)增加、填土壓實(shí)度提高，軟土路基最大沉降呈不斷減少的趨勢(shì)。

但是目前公路路基加固處理方案仍比較保守，會(huì)造成一些資源浪費(fèi)，下一步可以依托高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)，結(jié)合有關(guān)公路軟基處治工程，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與處治效果的關(guān)系進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]馮達(dá)，黃樹(shù)亭，王陽(yáng)，等.軟土路基上沉降結(jié)構(gòu)物的壓漿加固處理技術(shù)[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2014，41（12）：66-69.

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