青海湖“水草地”碎石樁復(fù)合地基加固效果的數(shù)值分析

閆吉祥，張 蕾，程大祎，譚家科，廖 燚

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.德宏美好生活置業(yè)有限公司，云南 芒市 678400）

隨著我國“一帶一路”的建設(shè)，西部地區(qū)各種重要的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，但是為了兼顧全面，許多公路、鐵路工程不得不建設(shè)在各種不良地基土上.以在青海湖周邊建設(shè)的高速公路工程為例，公路路基必須建設(shè)在承載力低、壓縮性大的“水草地”上.在深厚軟土上建設(shè)的高速公路路基會存在較大的變形問題，不僅會影響地基的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時還會影響車輛的安全通行.因此，對軟土地基采用加固處理技術(shù)是保障公路路基安全運營的有效手段.

地基處理技術(shù)是我國巖土工程界最為活躍的領(lǐng)域之一，目前我國已經(jīng)成熟使用的地基處理技術(shù)有數(shù)十種［1?2］.對軟土路基加固處理技術(shù)的研究成果眾多.趙亮等［3］利用PLAXIS有限元軟，對比分析碎石樁加固、組合樁加固、CFG樁加固土路基處理方式的經(jīng)濟性及適用性；李世洋等［4］采用原位測試數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬，對比分析管樁地基與旋噴樁地基對上覆砂層下臥淤泥層地基處理效果；徐超等［5］運用FALC3D對土工格柵加筋土地基荷載進行數(shù)值模擬，對加筋地基的破壞模式進行研究；王思偉［6］采用數(shù)值模擬對某鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路路基進行有限元分析，分析比對不同路基處理方式的加固效果等等.參考眾多的軟土路基加固的研究成果發(fā)現(xiàn)［3?18］，不同地區(qū)的軟土路基有各自不同的特點，所適用的處理方法也各不相同.

青海湖沿岸的“水草地”是非常典型的區(qū)域不良軟土，在其上建設(shè)公路必須要對路基進行加固處理.多數(shù)的地基處理方法的原理有較強的污染性，不適宜加固青海湖“水草地”.

因此，對針對青海湖“水草地”軟土路基的加固處理方法展開研究，設(shè)計加固方法采用碎石樁復(fù)合地基.碎石樁復(fù)合地基是一種利用物理作用進行加固的方法，用碎石將地基的部分土體增強或置換，形成由地基土和豎向碎石增強體共同承擔(dān)荷載的人工地基.運用Midas-GTSNX軟件，模擬水草地采用碎石樁復(fù)合地基加固前后的路基變形情況，通過對比加固效果及經(jīng)濟性，提出適宜青海湖水草地采用的地基加固處理建議.

1 工程概況

結(jié)合沿青海湖建設(shè)的某公路工程展開研究，該工程的建設(shè)位置如圖1所示.公路沿線、接近關(guān)角山范圍有多種不良地基土特殊路基路段.關(guān)角山區(qū)域?qū)儆谄钸B山南麓山地，主要受東亞季風(fēng)氣候的影響，年降水量300~400 mm，氣溫日較差14℃以下，屬溫帶大陸性半干旱氣候.根據(jù)項目勘察報告顯示該工程需要進行地基處理的范圍主要為T形互通區(qū)路段（圖1a中圓圈包圍區(qū)域），該區(qū)域線路兩側(cè)大面積出露地下水，地勢低洼，表現(xiàn)為“水草地”，如圖1b所示.該區(qū)域場地巖土體主要為粉土、粉質(zhì)黏土、卵石土及風(fēng)化花崗閃長巖，因積水時間較長且地下水豐富，表層草皮軟土層揭示厚度1~3 m，褐灰色，呈軟塑狀.水草地路段長約5 000 m，其中嚴(yán)重水草沼澤地約3 000 m，一般水草地約2 000 m.路沿線水草地需要進行加固處理的土層主要是上層的草皮（粉土）及粉質(zhì)黏土層，根據(jù)地勘報告顯示草皮層厚度1~3 m，粉質(zhì)黏土層厚度3~8 m，平均加固深度5~8 m.

圖1 項目地點及場地環(huán)境

加固區(qū)域附近的已運營多年的某公路的部分路段設(shè)計在水草地上堆填碎石，通過拋石擠淤+堆載的方法處理地基.但是，該方法處理下的道路部分路基側(cè)向變形嚴(yán)重，運營多年中已經(jīng)多次修補，目前仍存在較嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，如圖2所示.

圖2 路面修復(fù)及變形

2 數(shù)值模擬

采用Midas-GTSNX軟件，基于沿青海湖建設(shè)的某道路工程設(shè)計方案，結(jié)合適宜的地基處理技術(shù)，建立3種計算模型：天然地基、碎石樁復(fù)合地基、碎石樁+土工格柵墊層.

2.1模型尺寸為便于對路基模型進行描述，對擬用坐標(biāo)系規(guī)定如圖3a所示：垂直于路線方向為x軸，沿路線縱線方向為y軸，豎直方向為z軸.3個模型的地基土尺寸一致，為消除邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響，計算模型尺寸與結(jié)構(gòu)平面尺寸之比控制在3~5倍范圍內(nèi)［8］，地基土土體模型寬度為260 m（沿x軸方向），地基土長度為100 m（沿y軸方向）；路基采用梯形截面，上部寬11 m，底部寬82.6 m，高8.95 m.模型尺寸如圖3b所示.

設(shè)計碎石樁樁徑d為600 mm，正方形布置，樁間距3 m.地下水位高度與地表齊平.

2.2模型參數(shù)及荷載采用Midas-GTSNX軟件建模，各層土體均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型.路基填筑材料均定義為線彈性本構(gòu)模型，其中樁基采用1D梁單元進行定義.模型3中，通過析取方式，賦予土工格柵2D材料屬性.結(jié)合工程地勘資料，將各土層及路基填筑材料屬性、厚度及土工格柵屬性取值如表1和2所示.將路基上部載荷，換算成高4 m，重度為25 kN·m-3碎石土堆載均布于路基上部，單位面積內(nèi)路面荷載為100 kPa.荷載分布形式如圖3a所示.

圖3 模型方位及尺寸示意

表1 參數(shù)選取

表2 加固材料指標(biāo)

2.3邊界條件及網(wǎng)格劃分模型在x方向上設(shè)置左右兩側(cè)方向約束、y方向上設(shè)置左右兩側(cè)方向約束、模型整體設(shè)置3個方向約束.土工格柵采用析取2D形式設(shè)定，通過在路面施加面荷載，模擬堆載對路基的影響.在網(wǎng)格劃分過程中，采用全局尺寸3.0進行單元布種，使用4面體網(wǎng)格生成器完成土體、路基填筑材料的單元網(wǎng)格劃分.碎石樁復(fù)合地基、碎石樁+土工格柵復(fù)合地基模型如圖4和圖5所示.

圖4 碎石樁模型（模型2）

圖5 碎石樁+土工格柵墊層模型（模型3）

3 計算結(jié)果分析

通過對比3個計算模型的變形云圖可知（以模型1的計算云圖為例，如圖6所示），在不同施工階段中，地基土在x方向與z方向的變形均集中在路基中部，約為路基寬度的1.57倍范圍內(nèi).因此，對路基中部130 m范圍內(nèi)的地基土x，z方向的變形進行特征節(jié)點標(biāo)記，以便對不同路基處理方式下的加固效果進行對比研究.3個模型選取節(jié)點位置一致，標(biāo)記節(jié)點位置如圖7所示.節(jié)點豎向位置依次為：地表以上3.2 m（路基內(nèi)部，節(jié)點1~節(jié)點7）、地表處（節(jié)點8~節(jié)點18）、地表以下8 m（節(jié)點19~節(jié)點29）.

圖6 不同方向變形云圖

圖7 特征節(jié)點位置

對3個模型的計算結(jié)果進行整理，將圖7所示各節(jié)點x方向、z方向的變形結(jié)果繪制成曲線圖，如圖8所示.

由圖8a~c可知，3個模型中模型3的各測點在x側(cè)向位移最小，模型2次之，模型1最大.3種不同路基處理方式模型的各節(jié)點在x側(cè)向位移趨勢基本保持一致.由于模型對稱，以右側(cè)路基邊坡為例，相比模型1（天然地基），當(dāng)采用模型2（碎石樁）時，由上至下最大x側(cè)向位移分別減小了58.12%、65.57%和67.53%；當(dāng)采用模型3（碎石樁+土工柵格處理）時，由上至下最大x側(cè)向位移分別減小65.43%、71.30%和68.92%.模型2與模型3的結(jié)果相差不大.

圖8 各模型節(jié)點x方向和z方向的變形

由圖8d~f可知，模型3整體沉降最小，模型2次之，模型1最大.路基最大沉降位置均出現(xiàn)在路基中心線處，模型1最大沉降依次為410.91 mm、396.01 mm、75.43 mm.相比模型1，模型2與模型3的路基沉降分別縮減為60.79%、51.24%、43.92%和62.70%、52.18%、43.14%.由圖8可發(fā)現(xiàn)，隨埋深增加，模型2與模型3在土體埋深8 m處，各節(jié)點沉降曲線基本重合，相比于單獨采用碎石樁復(fù)合地基的效果，增加一層土工柵格，路基在豎直方向上的變形并未改善多少，模型2與模型3在豎向上的加固效果相差并不明顯.

4 經(jīng)濟性分析

有效的路基加固處理方法是保證工程質(zhì)量可靠、道路行車安全的重要手段及前提.在保證質(zhì)量的前提下，選擇經(jīng)濟合理安全的處理方法、優(yōu)質(zhì)的加固材料也是非常重要的.筆者根據(jù)前文設(shè)計方案，結(jié)合地基處理造價預(yù)算［19］，對文中采用的2種處理方式的綜合單價進行估算，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示.

表3 綜合單價對比 單位：元·m-2

由表3可知，增加土工格柵后，每平方米加固費用增加了約20元，增幅約4.3%.

從數(shù)值模擬的結(jié)果可知，采用碎石樁復(fù)合地基，可以有效的控制軟土地基的水平、豎向位移.相比于單獨采用碎石樁的處理方法，再增加一層土工格柵并沒有大幅度減小各方向的變形，但費用增加約4.3%.

土工格柵在路基中的作用主要為提高路基的整體性和承載能力，將其埋在土中或土層之間，依靠土工格柵和土的摩擦、咬合和嵌入，起抗拉筋的作用，可以將應(yīng)力均勻分布在土體上，調(diào)整不均勻沉降，由此增加地基的整體性、穩(wěn)定性和承載能力.其實，土工合成材料的作用很多，包括排水、反濾、防滲、加固、防護和隔離等功能［5?7］，但這些作用在數(shù)值模擬中很難直觀反映出來.雖然本文的數(shù)值模擬結(jié)果并未顯示出土工格柵的優(yōu)勢，但并不能說明土工格柵沒有作用.文獻(xiàn)［1?18］指出應(yīng)用于路基的土工材料基本都是與樁基聯(lián)合使用，設(shè)計為由樁?土工材料網(wǎng)共同形成的水平?豎向的雙向加固復(fù)合地基，以此達(dá)到有效的加固效果.因此，對于青海湖“水草地”這種軟基，當(dāng)設(shè)計采用土工格柵材料時，不能單通過數(shù)值模擬方法計算，而應(yīng)通過試驗手段獲得更加直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為參考依據(jù).

5 小結(jié)

以青海水草地軟基處理問題為研究對象，通過數(shù)值模擬方法，建立3個路基模型，分析各工況的變形規(guī)律，結(jié)合經(jīng)濟性，分析適宜加固水草地的地基處理方法，主要結(jié)論如下：

1）碎石樁復(fù)合地基可有效加固水草地，加固后的地基的最大水平變形減小了約68%，最大豎向沉降減小了約75%.

2）相比于單獨采用碎石樁復(fù)合地基的處理方法，再增加一層土工格柵并沒有大幅度減小各方向的變形，但費用增加約4.3%.

3）在數(shù)值模擬中，不能較好地反映土工合成材料的性能.對于青海湖“水草地”軟基，當(dāng)設(shè)計采用土工格柵材料時，不能單通過數(shù)值模擬方法計算，而應(yīng)通過試驗手段獲得更加直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為參考依據(jù).