碎石樁處理軟土路基側(cè)向變形規(guī)律與預(yù)測(cè)分析

于 濤

（中郵通建設(shè)咨詢(xún)有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引 言

大量高等級(jí)公路、高速鐵路的建設(shè)要穿越軟土地區(qū)，然而軟土地基的變形問(wèn)題甚為復(fù)雜。路堤下地基的變形包括豎向沉降和側(cè)向水平向變形[1]。水平變形關(guān)乎地基的穩(wěn)定性，但是目前研究重點(diǎn)集中在精準(zhǔn)預(yù)測(cè)路堤的工后沉降方面，忽略了水平變形對(duì)沉降的影響，從而導(dǎo)致其相關(guān)研究鮮少報(bào)道。

HARRY[2]、SMADI[3]、TAVENAS 等[4]分別以彈性理論為基礎(chǔ)提出了軟基側(cè)向變形的計(jì)算方法，總結(jié)了全施工周期內(nèi)路基側(cè)向變形與路堤沉降的擬合關(guān)系。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者經(jīng)實(shí)踐和理論研究[5-7]認(rèn)為路堤填筑期軟土地基側(cè)向位移與軟土成因、軟土沉積地層、地基土非線(xiàn)性應(yīng)力-應(yīng)變特性、軟土滲透性、路堤填土性狀、路堤填筑速率、地基處理方法等因素均有直接關(guān)系。就上述因素，進(jìn)一步考慮軟土厚度、軟土厚度與填土高度比值等因素，在原位變形觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲得了上述各因素對(duì)側(cè)向變形的影響規(guī)律[8]。并且結(jié)合不同沉積環(huán)境下的軟土地基上修筑高速公路的實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，簡(jiǎn)單總結(jié)了塑料排水板、粒料樁、高壓旋噴樁和預(yù)制樁處理方式下深層水平位移在路堤填筑的全壽命周期內(nèi)的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，提出在路堤上覆堆載作用下軟基側(cè)向水平向位移隨深度變化呈“弓”字型[9]，指數(shù)函數(shù)來(lái)反映側(cè)向位移沿深度方向的分布特征是較為合適的[10]。上述研究多見(jiàn)于浙江[11]、山東[12]、上海[13]、廣州[14]等地的淺水澙湖相、海陸交會(huì)相、三角洲相、東部沿海濱海相軟土。而四川地區(qū)軟土屬于山地型軟土，物理指標(biāo)較我國(guó)部分沿海地區(qū)低，而力學(xué)指標(biāo)要高[15]。對(duì)其變形特性研究相對(duì)較少，仍然遵循華東沿海地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)。

本文依托四川省某一在建高速公路項(xiàng)目，梳理典型斷面的深層水平位移觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別歸結(jié)側(cè)向水平位移隨埋深和時(shí)間的變化規(guī)律，以提出相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。

1 工程概況

項(xiàng)目高速公路穿越成渝雙城經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心地帶，意為助力區(qū)域建設(shè)而興建，線(xiàn)路全長(zhǎng)130 km，主線(xiàn)路面寬24.5 m，雙向四車(chē)道，填筑高度為5～10 m。據(jù)統(tǒng)計(jì)全線(xiàn)軟基150余處，沿線(xiàn)軟土地基呈槽狀均勻分布在山間間隔（圖 1）。研究區(qū)域地表以下巖土體的分層、工程性狀及巖土體物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 研究區(qū)軟土地基山間間隔分布照片F(xiàn)ig. 1 Photos of mountain interval distribution of soft soil foundation in the study area

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)均值Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

研究區(qū)地基軟土成因以第四紀(jì)殘坡積、沖洪積為主，為高、低液限黏土。從表1可見(jiàn)，其天然含水率在液限、塑限之間，為可塑性黏土，結(jié)合孔隙比、強(qiáng)度等指標(biāo)可認(rèn)為該區(qū)黏性土具含水率高、強(qiáng)度低、壓縮能力中等特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)比我國(guó)其他地區(qū)軟土的性狀，研究區(qū)天然含水率均值為 25%～35.1%，小于液限，大于塑限，為可塑狀態(tài)；孔隙比均值分別為0.7，1.0；壓縮系數(shù)均值分別為0.35，0.6；黏聚力均值分別為32.1，10.5；摩擦角均值分別為13.2，6.1。這些指標(biāo)都說(shuō)明該區(qū)軟土具有高含水率、高液限、低強(qiáng)度、中等壓縮性等特點(diǎn)。但該區(qū)高低液限黏土的軟土物理指標(biāo)較我國(guó)部分沿海地區(qū)低，而力學(xué)指標(biāo)要高?？芍芯繀^(qū)軟土物理指標(biāo)較我國(guó)部分沿海地區(qū)低，而力學(xué)指標(biāo)要高。

全線(xiàn)軟土地基根據(jù)黏土層厚度、路堤填筑高度等因素，處理方式設(shè)計(jì)有換填、碎石樁、塑料排水板。碎石樁處理采用正三角形布設(shè)，間距為 1.5 m，處理深度以超過(guò)勘探揭露的軟土層厚度為標(biāo)準(zhǔn)。碎石樁加固軟基的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 碎石樁相關(guān)加固參數(shù)Table 2 Parameters related to consolidation calculation of gravel column

2 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)據(jù)處理方式

為了探究碎石樁處理后軟土地基深層水平位移在路堤填筑過(guò)程中發(fā)生發(fā)展規(guī)律，選取 10處典型斷面在其路堤邊坡坡腳處打設(shè)鉆孔并埋設(shè)了深層水平位移監(jiān)測(cè)設(shè)備（圖 2），測(cè)斜儀精度為±0.02 mm/500 mm，每個(gè)測(cè)斜孔根據(jù)軟土層厚度不同布設(shè) 10～15個(gè)測(cè)斜元件，采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)填筑階段不同而分期設(shè)定（每層填筑完成后的 1～2 d內(nèi)每10 min采集一次數(shù)據(jù)，非填筑期每60 min采集1次數(shù)據(jù)）。

圖2 典型監(jiān)測(cè)斷面Fig. 2 Horizontal displacement monitoring equipment

最終通過(guò)水平位移-深度-時(shí)間關(guān)系、最大水平位移發(fā)育位置等來(lái)獲得碎石樁處理軟土路基側(cè)向變形規(guī)律與預(yù)測(cè)計(jì)算模型。

3 觀(guān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)路堤填筑期和預(yù)壓期觀(guān)測(cè)了近1年的時(shí)間，獲得了大量的有效水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。分析時(shí)解析篩選了代表性時(shí)間段的數(shù)據(jù)開(kāi)展深入分析，10處典型斷面的觀(guān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。分析時(shí)以K127+520監(jiān)測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖3）為主進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

表3 側(cè)向水平位移觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of lateral horizontal displacement observation data

（1）深層水平位移監(jiān)測(cè)元件埋設(shè)時(shí)路堤均已有1～2 m的回填高度，分析中暫時(shí)忽略已填高度對(duì)土體水平位移的影響。從圖3可見(jiàn)，隨著路堤填筑高度的增加，土體深層水平位移逐漸增大，從地表到基底表現(xiàn)為先增大后減小的“凸”型變化，最大側(cè)向水平位移為10 mm，距離地表1.5～2.5 m處變化劇烈，位于整個(gè)軟土埋深的中上部，這主要是受荷載的傳遞深度影響而導(dǎo)致的。碎石樁增加了土體排水途徑，使孔隙水壓力的消散時(shí)間減少，即每次填筑完成后很快完成有效應(yīng)力的轉(zhuǎn)化，降低了軟基的變形量，路堤每層填筑完成后其軟基的變形可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

（2）同時(shí)對(duì)各個(gè)斷面在堆載預(yù)壓后期觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示：約有50%的監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)认蛭灰拼嬖凇盎乜s現(xiàn)象”，回縮率在10%左右，有5～8 mm。表明經(jīng)碎石樁處理的軟土地基在監(jiān)測(cè)后期普遍存在“回縮現(xiàn)象”，且較為明顯。究其原因?yàn)橥馏w在固結(jié)后期，隨著土體孔隙水排出，土體有效應(yīng)力增加，土體固結(jié)排水引起的側(cè)向收縮大于剪應(yīng)力引起的側(cè)向變形。但應(yīng)注意在后期排水減小引起的再次向外鼓脹。

（3）隨時(shí)間變化，最大側(cè)向水平位移與時(shí)間呈非線(xiàn)性變化（圖3），曲線(xiàn)存在3個(gè)階段的變化，A 區(qū)域?yàn)樘钪捌?，Δym=ΔSD（在路堤填筑過(guò)程中側(cè)向變形增量（Δym）隨路中沉降增量（ΔSD））；B區(qū)域?yàn)棣m=0.15ΔSD，此階段地基土體固結(jié)排水較慢，大部分變形發(fā)生在此階段；C區(qū)域?yàn)楣探Y(jié)階段，此階段為長(zhǎng)期排水階段，Δym=0.3ΔSD。

圖3 水平位移觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)Fig. 3 Horizontal displacement curve

4 側(cè)向水平位移預(yù)測(cè)模型

4.1 沿深度方向預(yù)測(cè)模型

通過(guò)對(duì)碎石樁處理后軟土路堤荷載作用下側(cè)向水平位移隨深度從地表到基底表現(xiàn)為先增大后減小的“凸”型變化，在已有學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，引用以下復(fù)合函數(shù)形式對(duì)碎石樁處理后軟土地基側(cè)向位移進(jìn)行預(yù)測(cè)，如式（1）：

式中：y為側(cè)向位移量；z為深度；a、b、c為待定參數(shù)。圖4為各參數(shù)變化后預(yù)測(cè)模型曲線(xiàn)。

從圖4可以看出，a主要反映了最大水平位移變化的數(shù)值，與加載量級(jí)有關(guān)；b主要反映了側(cè)向變形的影響深度，與監(jiān)測(cè)深度有關(guān)；c主要反映曲線(xiàn)位置的整體平行，同時(shí)增加數(shù)據(jù)擬合的靈活性。表4為本文預(yù)測(cè)曲線(xiàn)在填筑完成后對(duì)最大位移位置的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比（其中a=10，b=1，c=0.05）。

圖4 預(yù)測(cè)公式影響因素曲線(xiàn)Fig. 4 Influence factor curve of prediction formula

從表 4可見(jiàn)，y=a×z-b×e-cz曲線(xiàn)能很好的擬合碎石樁處理后軟土地基側(cè)向變形情況。對(duì)本項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測(cè)模型與監(jiān)測(cè)情況較相吻合，擬合度較好，基本在監(jiān)測(cè)所獲深度的范圍內(nèi)。

表4 預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of prediction results of prediction models

4.2 沿時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)模型

對(duì)于最大土體深層水平位移隨時(shí)間呈“S”形分布（圖3）變化的特點(diǎn)，本文選擇“S”形成長(zhǎng)曲線(xiàn)作為最終的預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)式（2）。根據(jù)文獻(xiàn)[16]相關(guān)論述，得出參數(shù)c、r用來(lái)增加數(shù)據(jù)擬合的靈活性，控制最終側(cè)向位移的作用，r一般取值在0.1～1之間。另外，由于“S”形成長(zhǎng)曲線(xiàn)單調(diào)遞增性，當(dāng)時(shí)間t趨近于無(wú)窮大時(shí)，式（2）趨近于a，故在計(jì)算中可先確定a，并通過(guò)最小二乘法進(jìn)一步確定其他參數(shù)。

式中：y(t)為t時(shí)刻的沉降量；a、b、c為待定系數(shù)。

如若采用式（2）進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，對(duì)于本例而言，r可取0.5，a=16～20，b=3.5～4，c=0.4～0.43。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5所示，可見(jiàn)，預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。

圖5 K127+520斷面預(yù)測(cè)結(jié)果（擬合度95%）Fig. 5 Prediction results of K127 + 520 section

5 結(jié) 論

基于四川省某高速公路項(xiàng)目，梳理典型斷面的深層水平位移觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別總結(jié)側(cè)向水平位移隨埋深和時(shí)間的變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。研究表明：

（1）側(cè)向水平位移隨深度成“上凸”形變化，近地表處側(cè)向位移變化劇烈，且破壞是從軟土地層最大側(cè)向位移點(diǎn)逐漸向下發(fā)展的；在堆載預(yù)壓后期普遍存在較為明顯的“回縮現(xiàn)象”。

（2）最大側(cè)向水平位移隨時(shí)間呈“S”形分布，最大側(cè)向位移發(fā)生點(diǎn)基本保持不變，Δym/SD在路堤施工各個(gè)階段呈現(xiàn)不同變化特點(diǎn)。

（3）根據(jù)水平位移和水平位移最大值隨深度的變化特點(diǎn)，分別提出“凸”形曲線(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)變化明顯深度的范圍和“S”形曲線(xiàn)預(yù)測(cè)最終水平位移量，上述預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。