公路軟土路基沉降規(guī)律及施工控制技術(shù)研究

王嘯

摘要：為了提高軟土地區(qū)公路工程建設(shè)水平，文章從淺層軟土地基處治和深層軟土地基處治分析了軟土路基的施工控制技術(shù)，并以某高速公路項(xiàng)目為研究對象，利用有限元軟件PLAXI8.0建立有限元模型，研究了軟土路基在水泥攪拌樁處治前后的沉降規(guī)律，探討了樁間距、樁長、填土壓實(shí)度等參數(shù)對軟土路基沉降的影響規(guī)律。研究成果可為類似的軟土路基施工提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：公路;軟土路基;沉降變形;施工控制

中圖分類號：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.012

文章編號：1673-4874（2021）01-0044-04

0引言

隨著基礎(chǔ)交通設(shè)施的投資力度不斷加大，公路工程是帶動沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域交流的關(guān)鍵項(xiàng)目，其建設(shè)步伐日益加快。由于我國幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，同時公路項(xiàng)目占用土地面積大，在建設(shè)期間可能會遇到淤泥、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)，選擇合理、經(jīng)濟(jì)的公路軟土路基建設(shè)方案，已經(jīng)成為各參建單位急需解決的關(guān)鍵問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者及工程師也通過現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法研究公路軟土路基處治措施及變形規(guī)律：梁剛[1]依托廣西某臨江高速公路，分析了軟土路基的施工方法，并開展現(xiàn)場沉降監(jiān)測試驗(yàn)，得到了不同監(jiān)測點(diǎn)的沉降規(guī)律;溫廣軍等[2]以馬巢路一標(biāo)段軟土路基為研究對象，研究了PHC管樁和雙向攪拌樁對軟土路基的加固效果，并分析了填土高度和填土速率對軟土路基沉降的影響規(guī)律;張銀貴等[3]結(jié)合天津某城市快速路，利用有限元軟件PLAXIS模擬了軟土路基分層填筑過程中的應(yīng)力和變形，得到該地區(qū)軟基沉降固結(jié)規(guī)律，很好地指導(dǎo)了軟土路基施工。因此，研究公路軟土路基沉降規(guī)律及施工控制技術(shù)具有十分重要的工程意義。

1軟土地基沉降理論及施工控制措施

1.1軟土地基沉降計(jì)算理論

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沉降（S_d）、主固結(jié)沉降（S_c）和次固結(jié)沉降（S_s）三個階段，其中S_d是在加載瞬間（t=0）產(chǎn)生的，此時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);S_c是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隨著固結(jié)時間的增加（0s是發(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[4]。軟土路基沉降固結(jié)模型見圖1。

1.2軟土地基沉降施工控制措施

（1）淺層軟土地基處理

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高程以下軟土層（<3m）挖除，換填成強(qiáng)度大、水穩(wěn)定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯壓密實(shí)，以提高地基承載力，減小地基及其下臥層沉降變形[5]。

鋪土工格柵：土工格柵加入軟土地基中形成加筋土，提高了軟土抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，降低軟土壓縮性，從而減小軟基沉降變形。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，提高土顆粒之間的摩擦力和咬合力。同時，在外荷載作用下，土工格柵和土體壓縮模量不同（抵抗變形能力不同），兩者發(fā)生錯動使得土工格柵受拉，出現(xiàn)“界面應(yīng)力”（如圖2所示）。界面應(yīng)力會限制土工格柵的相對滑動，使得土工格柵必然會承受一定的拉應(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。

采用輕質(zhì)填料：輕質(zhì)材料一般重度較小，公路填筑采用輕質(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。在填筑輕質(zhì)材料路段和一般路基之間要開挖臺階設(shè)置過渡段，臺階高度在0.5～1.0m，坡比宜為1：1～1：2，以確保路基的整體穩(wěn)定性。

（2）深層軟土地基處理

水泥攪拌樁處治：公路工程軟基處治中的水泥攪拌樁應(yīng)按梅花型布置，樁頂鋪20cm碎石層，樁徑取350～500mm，樁長與樁間距可按照巖土勘察報告中的地勘參數(shù)利用理正巖土或有限元軟件計(jì)算確定，處治深度一般在8～20m。

剛性樁處治：公路工程中常用剛性樁是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，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渡段，處治深度可達(dá)12～20m。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁宜采用正方形布置，場地允許可通過靜壓法沉樁[6]。

2公路軟土路基沉降計(jì)算模型

2.1工程實(shí)例

以某高速公路項(xiàng)目為研究對象，分析軟土路基沉降變形規(guī)律。該公路全長36.8km（起訖樁號為K1+360～K38+160），建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向兩車道，設(shè)計(jì)速度為100km/h，路基寬度為24m。其標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置型式為：0.75m（土路肩）+3.0m（硬路肩）+3.5m×2（行車道）+2.5m（中間帶）+3.5m×2（行車道）+3.0m（硬路肩）+0.75m（土路肩）。地基巖土體以粉質(zhì)黏土、中砂、基巖等為主。K16+382～K17+657路段存在淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土層，厚度在10～15m不均，天然狀態(tài)下地基土承載力不能滿足路基填筑要求。

2.2軟土路基有限元模型

（1）計(jì)算參數(shù)選取

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(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來研究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K17+290，模型中路堤邊坡最大高度為16m，填料擬采用碎石土，分兩層來填筑，每級填土高度為8m，邊坡從上至下坡比分別為1：1.5、1：1.75，平臺寬2m。地基土層分兩層，分別為11m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)樁長為12m、樁間距為1.5m、樁直徑為0.6m。填料和地基土計(jì)算指標(biāo)見表1。

（2）網(wǎng)格劃分及邊界條件

相關(guān)研究成果表明，網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格數(shù)量對模型計(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軟件中的二維實(shí)體單位PLANE42對路基進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸選1.5m，CFG加固區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺寸選1m，共劃分出單元3856個，節(jié)點(diǎn)5672個，如圖3所示。

路基模型底部為不透水邊界，并對其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[7]。

（3）屈服準(zhǔn)則

路基巖土體計(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)容易測定，同時可以考慮填土的抗壓強(qiáng)度，還能夠彌補(bǔ)摩爾-庫倫準(zhǔn)則導(dǎo)數(shù)在節(jié)點(diǎn)處的不連續(xù)問題。D-P準(zhǔn)則屈服時與破壞面函數(shù)是：

（1）

I₁=σ₁+σ₂+σ₃（2）

J₂=[（σ₁-σ₂）²+（σ₂-Σ₃）²+（σ₁-Σ₃）²]/6（3）

式中：α、k——屈服材料常數(shù);

I₁——第一應(yīng)力不變量;

J₂——第二偏應(yīng)力不變量;

σ₁——最大主應(yīng)力;

σ₂——中間主應(yīng)力;

σ₃——最小主應(yīng)力。

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，還會受到樁側(cè)摩阻力。但是，水泥攪拌樁剛度要遠(yuǎn)大于土體材料，不適合D-P屈服準(zhǔn)則，可采用線彈性計(jì)算模型。樁-土接觸面采用罰函數(shù)模擬。

3公路軟土路基沉降變形及影響因素分析

3.1軟土路基沉降計(jì)算結(jié)果

從道路中心線開始，每隔2m布置一個沉降監(jiān)測點(diǎn)，得出軟土路基處治前后各監(jiān)測點(diǎn)的豎向壓縮變形

圖4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。軟基未處治之前，路基最大沉降量為18.6cm，在經(jīng)水泥攪拌樁法處理后，各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量均出現(xiàn)一定程度降低，此時路基最大沉降量為5.6cm，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。

3.2軟土路基沉降影響因素

（1）樁間距的影響

在其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，利用PLAXI8.0軟件建立水泥攪拌樁間距分別為9m、12m、15m、18m、21m的軟土路基模型，得到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（如圖5所示）。

圖5表明，軟土路基最大沉降隨著樁間距增加而呈不斷增大趨勢，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1.5m提高至3m時，路基最大沉降增加了33.4%。同時，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。即當(dāng)樁間距<2m時，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，樁間距不宜超過2m。

（2）樁長的影響

在其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，利用PLAXI8.0軟件建立水泥攪拌樁長度分別為1.5m、2m、2.5m及3.0m的軟土路基模型，得到路堤處治后最大位移和最大應(yīng)力隨樁長的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6表明，隨著樁長增加，路基最大沉降呈減小趨勢，其中路堤豎直向最大位移均大于水平向最大位移。樁長從10m增至12m，路基沉降降低速率最快。當(dāng)樁長繼續(xù)增加超過18m，對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度的變化沒有規(guī)律性，基本呈波浪形波動，波動范圍在10kPa之內(nèi)。在綜合考慮施工難度、施工成本、改良效果等因素后，建議采用水泥攪拌樁技術(shù)處治軟土路基時樁長可取12～14m。

（3）填土壓實(shí)度的影響

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）要求填方路基壓實(shí)度≥90%，故填土模擬壓實(shí)度分別取0.90、0.92、0.94、0.96、0.98[8]。在其他參數(shù)不變的情況下，得到不同壓實(shí)度下軟土路基最大沉降量變化規(guī)律如圖7所示。

圖7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%時，路基最大沉降從7.8cm減小至6.2cm，減少了20.5%。這是因?yàn)楣仿坊钔翂簩?shí)度增加，會提高填料抗剪強(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，當(dāng)提高填土壓實(shí)度至某一臨界值（96%）后，對軟基沉降變形的降低效果并不明顯。

4結(jié)語

本文分析了軟土路基的沉降計(jì)算理論、施工控制措施及不同影響因素下的沉降變形規(guī)律，主要得到以下幾個方面的結(jié)論：

（1）軟土路基沉降變形隨著加載時間的增加而不斷增大，基本可分成瞬時沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三個階段。

（2）軟土地基控制技術(shù)可根據(jù)處治深度、實(shí)際工況等因素選擇換土墊層法、鋪土工格柵、采用輕質(zhì)填料、水泥攪拌樁處治、剛性樁處治等。

（3）軟土路基處治后，承載能力和整體穩(wěn)定性有明顯的提升，各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量均出現(xiàn)一定程度降低，且路基中心點(diǎn)處總沉降變形最大。

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

參考文獻(xiàn)

[1]梁剛.高速公路軟土路基施工技術(shù)與沉降監(jiān)測試驗(yàn)研究[J].西部交通科技，2020（3）：10-13.

[2]溫廣軍，趙博，趙華宏，等.北沿江高速公路河湖沉積相軟土路基沉降規(guī)律研究[J].工程與建設(shè)，2014，28（1）：85-87.

[3]張銀貴，孫震，朱樹成，等.天津某地區(qū)軟土路基沉降有限元分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2010（2）：99-102.

[4]宋奕修.高速公路工程軟土路基沉降監(jiān)測與分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013，9（2）：72-75.

[5]王海波.軟土路基沉降機(jī)理及沉降預(yù)測研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009.

[6]吳永全.沉降和位移觀測在軟土路基施工中的應(yīng)用[J].北方交通，2007（4）：51-53.

[7]谷江波.高速公路軟土路基沉降影響因素與計(jì)算分析研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

[8]朱兆芳，谷李忠.“軟土路基沉降控制設(shè)計(jì)新方法”的工程驗(yàn)證與分析[J].城市道橋與防洪，2001（1）：1-6.