黃土地區(qū)高速公路路基地基加固作用機(jī)理與應(yīng)用模擬研究

王 偉

（中交一公局第一工程有限公司， 北京 102205）

0 引言

我國(guó)西部黃土地區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中的濕陷性問(wèn)題突出，國(guó)內(nèi)外針對(duì)灰土擠密樁進(jìn)行地基加固處理進(jìn)行了一系列研究[1-2]，其中具有代表性的有：文獻(xiàn)[3-5]基于擠密樁和DDC 樁加固濕陷性黃土地基進(jìn)行系統(tǒng)研究，最后得出DDC 樁在處理大厚層濕陷性黃土具有良好的效果，最大處理深度可達(dá)20m。文獻(xiàn)[6-10]研究了多種材料形式與施工工藝灰土擠密樁加固濕陷性黃土地基效果，并得出擠密樁的最佳處理深度為小于10m；張勤和武志榮主要針對(duì)灰土擠密樁法加固濕陷性黃土地基處理過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了研究，最后提出相應(yīng)的措施[11-12]。分析可知，關(guān)于濕陷性黃土地區(qū)地基加固問(wèn)題取得了一定成果，但對(duì)設(shè)計(jì)、實(shí)施及機(jī)理與應(yīng)用分析等全過(guò)程研究的較少，本文將基于此展開(kāi)全過(guò)程研究，研究結(jié)果可為濕陷性黃土地區(qū)路基加固設(shè)計(jì)、實(shí)施與理論等方面提供依據(jù)與參考。

1 黃土地區(qū)高速公路及路基土質(zhì)概況

甘肅定西地區(qū)的土質(zhì)均勻、稍濕-中密狀的黃褐色洪積黃土，天然含水率10%～20%左右，隨著深度呈遞增趨勢(shì)，在溝岸邊含水量較低；因其為風(fēng)積黃土，垂直節(jié)理明顯、小孔隙較為發(fā)育，常有蝸牛殼和鈣質(zhì)結(jié)合物，其濕陷性明顯。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查可知：地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，重要性系數(shù)和綜合系數(shù)分別為1.3 和0.25。

2 濕陷性黃土路基擠密樁加固機(jī)理與相關(guān)參數(shù)確定

為研究對(duì)象定西地區(qū)高速路基沉降問(wèn)題，需考慮材料的彈性變形和塑性變形。基于黃土由巖石風(fēng)化形成，具有疏松、多相、多變等特性；加之，天然土體結(jié)構(gòu)不均勻性、流變性造成的土體完全不同應(yīng)力狀態(tài)；因此，現(xiàn)有材料本構(gòu)模型均不能全面的、精確的反映天然黃土的特征。本文為解決這一問(wèn)題，針對(duì)定西地區(qū)黃土沉降過(guò)程擬采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行研究分析其加固機(jī)理，為現(xiàn)場(chǎng)加固方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供理論依據(jù)。

Mohr-Coulomb 模型主要包括：體積模量 和剪切模量 、密度、泊松比、摩擦角、內(nèi)聚力 等六個(gè)參數(shù)。其中，參數(shù) 和 需在試驗(yàn)得到的彈性模量E 和泊松比的基礎(chǔ)換算得出：

為使擠密加固前后濕陷性黃土路基本構(gòu)模型滿足摩爾摩擦定律，將主應(yīng)力采用滿足摩爾-庫(kù)倫屈服條件的屈服函數(shù)表示為：

在以上的屈服函數(shù)中均含有內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力兩個(gè)強(qiáng)度參數(shù)，則六個(gè)屈服函數(shù)可將主應(yīng)力空間表示為一個(gè)六棱錐。其中，（1）楊氏模量（是強(qiáng)度參數(shù)，加固前后的路基土體加載時(shí)，采用強(qiáng)度割線50%處的模量；（2）泊松比：研究黃土地區(qū)路基土體加固時(shí)，取值在0.3～0.4 范圍；（3）黏聚力用于體現(xiàn)路基土體強(qiáng)度；（4）內(nèi)摩擦角：在內(nèi)摩擦角較大時(shí)，內(nèi)摩擦角與塑性計(jì)算量成正比，且內(nèi)摩擦角對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響比較大。

3 路基灰土擠密樁設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 方案設(shè)計(jì)

基于該地區(qū)的土質(zhì)情況與高速公路設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)等級(jí)，擬采用梅花形布置，長(zhǎng)度為6000mm、間距為1200mm 的Φ400mm 灰土擠密樁進(jìn)行地基加固，處理后承載力值不低于200kPa。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

（1）前期準(zhǔn)備：需將現(xiàn)場(chǎng)使用的石灰消解并達(dá)標(biāo)，需嚴(yán)格控制下承層的相關(guān)指標(biāo)(如：表面平整、標(biāo)高、壓實(shí)度、起拱等指標(biāo))，并其表面進(jìn)行酒水潤(rùn)濕；（2）嚴(yán)控含水量：如遇高溫暴曬，必須灑水措施；（3）石灰的撒布和翻拌直接決定著改良土路基的壓實(shí)質(zhì)量和強(qiáng)度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的鋪筑效果確定選取撒布機(jī)均勻撒布石灰后采用穩(wěn)定土路拌機(jī)翻拌法配合壓路機(jī)壓實(shí)的路基方法。其中：首次翻拌至距底部2～3cm，以消除下沉的石灰?jiàn)A層；后期每次要拌和到底，使上下兩層充分結(jié)合；翻拌兩遍后，如含水量滿足要求，無(wú)明顯的花面、灰塊或“窩或帶”等現(xiàn)象即可；否則需要進(jìn)一步翻拌、灑水等處理，直至達(dá)標(biāo)；（4）樁基加固施工前，首先要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清表、整平或?yàn)⑺雺旱却胧?；?）采用100～300kg、靜壓力不小于20kPa 的夯錘夯實(shí)成樁。

4 路基灰土擠密樁應(yīng)用分析

灰土樁擠密法成孔時(shí)，樁體致使樁周圍土體擠密而改善其力學(xué)指標(biāo)，如：壓縮比減小、密實(shí)度增大；灰土擠密樁加固后的濕陷性黃土復(fù)合地基的下部應(yīng)力擴(kuò)散有所加快。

4.1 約束條件的確定

為研究濕陷性黃土路基加固前后的力學(xué)特性，主要圍繞路基堆載過(guò)程中的地基沉降；研究路基加固前后在Z 方向上的位移以及應(yīng)力變化，則在模型的底部進(jìn)行X、Y、Z 方向的約束、四周施加X(jué)、Y 方向約束。

4.2 最大主應(yīng)力（見(jiàn)圖1、圖2）

4.2.1 縱向分布特征

加固處理后的濕陷性黃土路基最大主應(yīng)力σmax分布明顯不均勻：（1）樁體與樁間的應(yīng)力呈“縱向條狀”橫向相間特征、且差異明顯；（2）下臥層的主應(yīng)力較加固前沿深度方向均有所增大、且呈鋸齒狀分布，但影響逐漸減弱，最終變化與分布趨勢(shì)與天然應(yīng)力場(chǎng)一致。

4.2.2 橫向分布特征

根據(jù)理論模擬結(jié)果可知：（1）復(fù)合地基橫向分布的最大主應(yīng)力與原狀土相比，在樁區(qū)兩側(cè)、邊界處和下部應(yīng)力突變明顯(下部最為明顯）；（2）下臥層最大主應(yīng)力沿著豎向逐漸減弱。

4.3 最小主應(yīng)力

最小主應(yīng)力的變化方面，加固前后地基的整體變化較??；具體通過(guò)分析圖3 和4 可知：

4.3.1 縱向分布特征

在地基內(nèi)部，復(fù)合地基的最小主應(yīng)力分布均勻且有所提高，與最大主應(yīng)力分布特征類似，但鋸齒狀應(yīng)力分布區(qū)域不明顯。

4.3.2 橫向分布特征

與最大主應(yīng)力的橫向分布特征類似，均在與原狀土接觸的邊界位置發(fā)生應(yīng)力突變，但變化較小。

4.4 協(xié)調(diào)變形

分析可知：（1）加固處理后復(fù)合地基的變形特征與應(yīng)力場(chǎng)不同；（2）處理后的地基變形是均勻、連續(xù)的；（3）處理后地基呈現(xiàn)垂直條帶狀相間連續(xù)變化分布，而路中心較外側(cè)坡腳的變形稍大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)甘肅地區(qū)濕陷性黃土高速路基作用加固機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)一步提出相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施步驟，最后借助數(shù)值模擬分析方法，對(duì)加固前后黃土高速路基的最大、最小應(yīng)力和協(xié)調(diào)變形特性進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）基于甘肅地區(qū)濕陷性黃土特點(diǎn)，對(duì)路基擠密樁加固機(jī)理及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析與確定，為加固方案設(shè)計(jì)與實(shí)施、理論模擬研究提供依據(jù)。

（2）灰土擠密樁復(fù)合地基中樁體與樁間的應(yīng)力差異明顯，在加固區(qū)域的最大、最小主應(yīng)力均呈“縱向條狀”橫向相間的連續(xù)變化特征。

（3）濕陷性黃土地基加固后的沉降變形是均勻連續(xù)的，區(qū)別于應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律；加固后沉降變形有明顯的減小。

（4）擠密樁復(fù)合地基的處理區(qū)內(nèi)變形是均勻的，即樁體與樁間土體的變形是同步的。