探討軟土路基波浪變形機(jī)理及減小不均勻沉降的措施

王昕杰

摘要 軟土工況在道路工程施工中普遍存在，對(duì)地基的強(qiáng)度、剛度有較大的影響，軟土地基在汽車荷載作用下容易變形。某新修路段有軟土地基，在施工場(chǎng)地采取了真空預(yù)壓加固處理，工程完工后一段時(shí)間，路面產(chǎn)生了明顯的波狀沉降?；诖?，文章以軟土路基工程實(shí)例為研究對(duì)象，建立了“波浪”沉降理論模型，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)力學(xué)分析，明確了路基“波浪”沉降特征與車輛荷載的相關(guān)性;根據(jù)軟土路基“波浪”沉降變形的特征，提出軟土路基上應(yīng)用土工格柵進(jìn)行加固，以控制軟土路基的沉降變形。

關(guān)鍵詞 軟土地基;波浪變形;土工格柵;加固措施

中圖分類號(hào) U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0157-03

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)的迅速發(fā)展，交通負(fù)荷日益增加，道路的損壞問(wèn)題也隨之而來(lái)，路基的不均勻沉降會(huì)對(duì)路面造成嚴(yán)重的破壞，從而影響行車速度、安全和舒適性。軟土路基沉降影響路基、路面的結(jié)構(gòu)整體性，如：易引起路面開(kāi)裂、凸起等病害[1]。該文通過(guò)建立路基的力學(xué)模型，對(duì)其成因進(jìn)行了分析，并對(duì)路基加固進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)。

1 軟土路基變形分析

（1）在軟土路基工程施工的過(guò)程中，控制路基變形非常關(guān)鍵，根據(jù)沉降發(fā)生的歷史時(shí)間點(diǎn)，可以將路基沉降劃分為瞬間沉降和累積沉降，其中累積沉降可以分為兩大類型：次固結(jié)沉降和固結(jié)沉降[2]。同時(shí)，在軟土路基上也會(huì)發(fā)生不可逆的塑性形變，從而給路基帶來(lái)永久的損壞。

（2）該工程的軟土路基，雖然采取了真空預(yù)壓加固法，但整體的承載力仍然不能滿足實(shí)際的運(yùn)營(yíng)需求，在完工之后，路基相繼發(fā)生了“波浪”形沉降，最大峰值落點(diǎn)達(dá)到100 mm。

2 超軟土道路地基波浪變形機(jī)理

（1）軟土道路建成通車后，由于車輛荷載與路面層自身重量的耦合作用，導(dǎo)致軟土路基產(chǎn)生“波浪”形沉降。

（2）當(dāng)汽車在“波浪”形變的波峰或谷點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的軟土路基荷載響應(yīng)如圖1所示。

（3）在“波浪”形變路面選取特征點(diǎn)A、B、C、D、E，假定車輛行駛速率為v，車輛重度為G，車輛輪胎受路面反作用力Fn，車輛離心力f，車輛自重與路面法向夾角值θ。根據(jù)離心力計(jì)算公式，可得輪胎反作用力Fn計(jì)算公式。

（4）AB段與DE段車輛做近似圓周運(yùn)動(dòng)的離心力方向向上，由圖1受力分析可得出路面反力為：

（5）BC段與CD段車輛離心力方向向下，因而路面反力為：

式中，m——車輛的質(zhì)量;R——路面圓周曲線半徑。

（6）結(jié)合式1、2和圖1，可以看出，AB段的輪胎反作用比BC段小，在谷點(diǎn)處，車輛的沖擊變形比峰值位置要大;從DE和CD段的反作用，也可驗(yàn)證出反作用力的結(jié)論。

（7）BC段：車輛通過(guò)B點(diǎn)到達(dá)C點(diǎn)，如式2所示，隨著車速的提高，汽車的自重和道路的法向角θ逐漸減小，相應(yīng)的輪胎反作用力Fn隨之增大，在汽車行駛到“波形”段時(shí)，路面受到的影響最大，相應(yīng)的塑性變形也較大。

（8）CD段：在車輛到達(dá)C處時(shí)，對(duì)應(yīng)的瞬間速度最大;由式2可以看出，當(dāng)車速下降時(shí)，汽車重量與路面法向角θ會(huì)逐漸增大，相應(yīng)的輪胎反作用力Fn會(huì)隨之下降，因此，在谷底時(shí)，路面的動(dòng)態(tài)載荷最大，谷底處的殘余變形最大。

（9）軟土路基波浪形變機(jī)理：1）在道路建設(shè)初期，由于路面的非均勻沉降，使路面產(chǎn)生初始波形;2）初始缺陷和不同尺寸的車輛負(fù)載，使得路面的起伏程度持續(xù)加重[3]。

3 減小不均勻沉降的措施

從軟土路基“波浪”沉降的變形機(jī)制可以看出，“波浪”的破壞應(yīng)該以早期破壞為基礎(chǔ)，并為今后的軟土路基加固和修補(bǔ)指明了一個(gè)新的思路[4]。

3.1 軟土路基加固常用方法

（1）換填法：軟土路基采用換填法，可在原有路基上采用挖掘機(jī)對(duì)軟土和淤泥進(jìn)行清除，并選擇適當(dāng)?shù)牟牧线M(jìn)行回填壓實(shí)。

（2）拋石擠淤法：采用拋石擠淤的方法，通過(guò)石頭的擠壓作用，使軟土路基得到強(qiáng)化處理。以石頭代替淤泥是一種置換方法，它可以徹底地改善軟土路基的特性，提高其穩(wěn)定性;在合理的尺度下，一般選擇5～40 cm的尺寸，并確保浸泡后的片石強(qiáng)度至少為20 MPa;在拋料時(shí)，首先利用大顆粒石頭進(jìn)行預(yù)擠壓，然后由大型挖掘機(jī)和其他履帶式機(jī)械進(jìn)行碾壓，保證其具有基本的穩(wěn)定性。

（3）水泥攪拌樁法：

1）采用深攪拌器進(jìn)行水泥攪拌樁的施工，將地基和混凝土中的泥土充分混合，從而在軟土中產(chǎn)生粘接效應(yīng)。再將其與周邊軟粘土混合，從而構(gòu)成具有高強(qiáng)度的水泥攪拌樁;

2）水泥攪拌樁是一種較好的軟土路基處理方式，在樁底2～4倍直徑處，可使攪拌樁獲得最大的軸向載荷，當(dāng)樁長(zhǎng)小于7 m時(shí)為水泥攪拌樁的最大軸向載荷。因而，在樁頭以下2～4倍樁徑處，樁體的軸力較大，提高了樁體的承載能力。

（4）其他處理方法：采用反壓護(hù)道法、預(yù)應(yīng)力管樁法、高壓旋噴法等。反壓護(hù)道法是指在道路兩旁填筑較大的反壓力和較厚的土層，以避免軟土路基發(fā)生剪切與滑移的現(xiàn)象發(fā)生;高壓旋噴樁是采用旋噴、定噴、擺噴三種方法對(duì)軟土、沙土和淤泥質(zhì)土進(jìn)行加固。

3.2 分析選用的軟土路基加固方案

（1）該工程使用周圍的塊石作為換填材料，在換填完畢后，其承載能力和變形相對(duì)較小;為了改善路面的承載力和降低路面沉降，可以將上部的荷載傳遞到下臥層。

（2）對(duì)軟土路基的變形原理進(jìn)行了深入的研究，并建議對(duì)軟土路基應(yīng)用土工格柵進(jìn)行加固，以改善其承載力和變形剛度。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，采用土工格柵加固后的軟土地基，其承載能力得到了明顯的改善。

（3）在軟土路基上，由于采用了土工格柵的約束，其摩阻力有明顯增大，土層間的抗剪性能力也有明顯增大，并能有效地防止土的橫向變形[5]。

（4）在路基和路面層之間增加土工格柵，可明顯改善路基的整體強(qiáng)度和抗變形剛度，防止裂縫現(xiàn)象的發(fā)生，降低路基、路面層的鋪層厚度。

（5）增加土工格柵可以減弱土壤的剪切破壞，從而對(duì)軟土路基的可塑性變形進(jìn)行控制。

3.3 土工格柵加固超軟土路基效果的有限元分析

為了論證土工格柵加固超軟土路基的加固效果，建立有限元模型，進(jìn)行計(jì)算分析。

3.3.1 計(jì)算模型

（1）采用Abaqus軟件對(duì)加增土工格柵的軟土路基，進(jìn)行了有限元計(jì)算。

（2）采用Membrane單元對(duì)不能進(jìn)行變形的土工格柵進(jìn)行模擬，以符合實(shí)際工程的要求。

（3）采用摩爾—庫(kù)倫模型，對(duì)軟土、礫巖層進(jìn)行了數(shù)值模擬[6]。

（4）在土工格柵、軟土間加入有限元計(jì)算，以提高模型模擬的準(zhǔn)確性。

（5）基于線彈性本構(gòu)關(guān)系，模擬土工格柵。

3.3.2 計(jì)算參數(shù)

為獲得精確的本構(gòu)關(guān)系，并進(jìn)一步改進(jìn)有限元數(shù)值計(jì)算的精度，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了原狀土的實(shí)驗(yàn)，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.3.3 荷載

有限元模型中，以平面載荷取代車輛載荷，以均勻載荷計(jì)算路基基礎(chǔ)構(gòu)件的自重[7]。

3.3.4 有限元計(jì)算結(jié)果

（1）模擬結(jié)果：

1）比較常規(guī)軟土路基、加鋪土工格柵軟土路基時(shí)的應(yīng)力與變形，以確定其土工格柵的加固效果[8];

2）圖2所示為土工格柵的應(yīng)力云圖，而圖3所示為一般的軟土路基上的應(yīng)力云圖;

3）比較結(jié)果表明：在土工格柵的布置下，可以使載荷的分配方式得到最優(yōu)，從而達(dá)到應(yīng)力的擴(kuò)展;應(yīng)力等級(jí)會(huì)減小，證明了土工格柵的作用。

（2）位移模擬：圖4、圖5顯示了兩種情況下，在常規(guī)軟土路基與增加土工格柵軟土地基上，進(jìn)行豎向位移的計(jì)算，結(jié)果表明：土工格柵對(duì)路基垂直位移有顯著的抑制作用，兩者之間的位移差大于25 mm，充分證明了土工布格柵對(duì)地基垂直位移的限制作用。

4 結(jié)論

為了減少路基不均勻沉降，提高路面品質(zhì)，必須做到早發(fā)現(xiàn)，早預(yù)防，早處理，并及時(shí)采取有效的補(bǔ)救辦法，以確保路面能夠經(jīng)受車輛的多次荷載和沖擊，保障道路交通的安全運(yùn)營(yíng)。通過(guò)對(duì)軟土路基“波浪”形沉降的機(jī)理、加固工藝的研究，得出了如下結(jié)論：

（1）在軟弱路基條件下，路基初期的沉降缺陷是造成軟土路基“波浪”形沉降的原因，在車輛的連續(xù)行駛下，“波浪”形沉降的峰值和谷差逐漸增大，最后造成路面開(kāi)裂、凸起，嚴(yán)重影響路面的正常行駛[9-10]。

（2）從離心力的計(jì)算公式可以推導(dǎo)出“波浪”路面上各種特征點(diǎn)的荷載計(jì)算公式，利用此公式可以求出在波峰和波谷的沖擊效應(yīng)。

（3）利用土工格柵進(jìn)行加固，可以解決軟土路基初期沉降的問(wèn)題，從而從根源上對(duì)“波浪”形沉降進(jìn)行有效的控制與約束。

（4）利用有限元分析軟件，比較了兩種不同工作狀態(tài)下的路基受力情況，并與常規(guī)軟土路基進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明增設(shè)土工格柵可以提高軟土路基的承載能力，優(yōu)化載荷形式，提高了路面的抗壓能力。

參考文獻(xiàn)

[1]孫立強(qiáng)， 閆澍旺， 徐余. 軟土路基“波浪型”不均勻沉降及其機(jī)制分析[J]. 巖土力學(xué)， 2011（S1）： 526-531.

[2]余昌平， 甄光磊， 王文杰. 軟土路基沉降預(yù)測(cè)對(duì)項(xiàng)目成本影響的技術(shù)研究[J]. 公路， 2020（10）： 35-39.

[3]郭在旭， 胡會(huì)星， 周和祥， 等. 上跨城市地鐵高速鐵路路基工程變形控制技術(shù)研究[J]. 路基工程， 2020（6）： 162-166.

[4]王灝， 劉珍， 楊果林， 等. 高液限土半填半挖高邊坡路基變形影響因素分析[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2020（6）： 190-195.

[5]駱永震， 許江波， 王元直， 等. 加筋泡沫輕質(zhì)土路基施工過(guò)程應(yīng)力變形模擬分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2020（25）： 10379-10387.

[6]孫立強(qiáng)， 閆澍旺， 徐余. 軟土路基“波浪型”不均勻沉降及其機(jī)制分析[J]. 巖土力學(xué)， 2011（S1）： 526-531.

[7]馬登剛. 高填方路基沉降變形特性及其預(yù)測(cè)方法探究[J]. 中國(guó)設(shè)備工程， 2020（14）： 230-231.

[8]王亞濤， 何杰， 湯磊華， 等. 土工格柵加筋墊層工作特性分析[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015（4）： 15-19.

[9]李冰， 劉杰， 何杰， 等. 有無(wú)土工格柵-夯實(shí)水泥土楔形樁工作性狀試驗(yàn)研究[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012（2）： 24-28.

[10]鄭明強(qiáng)， 高建平.? 高填方路基沉降變形預(yù)測(cè)及控制標(biāo)準(zhǔn)分析[A].? 中國(guó)智慧工程研究會(huì)智能學(xué)習(xí)與創(chuàng)新研究工作委員會(huì). 2020萬(wàn)知科學(xué)發(fā)展論壇論文集（智慧工程二）[C]. 中國(guó)智慧工程研究會(huì)智能學(xué)習(xí)與創(chuàng)新研究工作委員會(huì)， 2020： 8;