高速公路路基加寬泥炭質(zhì)土地基加固優(yōu)化研究

沈立森

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,河北 石家莊 050081)

高速公路具有行車速度快,交通運輸量大,輻射區(qū)域遠(yuǎn)等優(yōu)勢,可以有效提升出行效率.隨著經(jīng)濟的快速增長,人們對交通運輸?shù)囊笾鹉晏岣?早期建設(shè)的高速公路已無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行需求,因此,高速公路改擴建,進(jìn)行路基加寬勢在必行.但由于高速公路里程長,跨域大,地基環(huán)境復(fù)雜多變,在建設(shè)過程中經(jīng)常會遇到軟弱土地基.軟弱土具有承載力低、壓縮性大等特點,會導(dǎo)致路基的不均勻沉降,造成路面開裂,影響行車安全.因此,在高速公路路基加寬工程中,如何解決軟弱土地基的新老路基差異沉降就成為關(guān)鍵問題.

泥炭質(zhì)土是一種礦物成分、動植物殘體和腐殖質(zhì)相互摻雜的特殊軟弱土,其密度小,孔隙比大,含水率高,有機質(zhì)含量豐富,一般呈酸性,具有明顯的高壓縮性,呈多級團粒結(jié)構(gòu)[1].為積累工程經(jīng)驗,國內(nèi)很多學(xué)者從不同角度對泥炭質(zhì)土的工程特性及工程應(yīng)用效果進(jìn)行了理論研究.文獻(xiàn)[2]通過統(tǒng)計128組泥炭質(zhì)土樣的動三軸試驗數(shù)據(jù),得出了不同埋深區(qū)間的動力學(xué)參數(shù).文獻(xiàn)[3]通過深層攪拌樁進(jìn)行了泥炭質(zhì)土地基試驗,分析了復(fù)合地基加固效果.文獻(xiàn)[4]通過計算CFG 樁(水泥粉煤灰碎石樁)的地基沉降量,與靜載試驗對比,得出了相關(guān)的工程適用性結(jié)論.文獻(xiàn)[5]通過有限元軟件對h型雙環(huán)板支撐支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平面模擬,得出了基坑剖面的受力變形特征.文獻(xiàn)[6]根據(jù)軟土厚度的不同,提出新老路基應(yīng)采用礦渣分層填筑、土工格柵加筋連接等措施.文獻(xiàn)[7]依托滬寧高速公路長期的觀測數(shù)據(jù),提出了加寬路段施工期間的控制指標(biāo).文獻(xiàn)[8]依托滬杭甬和杭金街高速公路,提出了路基填高的沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn).

路基加寬前后存在不協(xié)調(diào)變形的主要原因在于不均勻沉降,包括新路基荷載作用使地基產(chǎn)生的固結(jié)變形,新路基自重產(chǎn)生的壓縮變形和行車荷載產(chǎn)生的塑性變形[9].在高速公路加寬過程中,減小差異沉降的主要措施是要保證新老路基之間有效銜接,防止因路基處理方式不當(dāng)造成路面裂縫.當(dāng)?shù)鼗聻檐浫跬習(xí)r,不均勻沉降會更大.因此,選擇合理的處理措施便成為高速公路加寬工程沉降控制的關(guān)鍵.

1 沉降控制措施及控制標(biāo)準(zhǔn)

1.1 沉降控制措施

(1)采用復(fù)合地基處理來控制不均勻沉降

高速公路老路基運營多年,已基本完成固結(jié)變形,工后剩余沉降很小,相對穩(wěn)定.新加寬路基尚未經(jīng)過車輛荷載作用,固結(jié)不充分,工后剩余沉降較大,穩(wěn)定性差,特別是軟土地基地段,不均勻沉降更為明顯.在實際工程中,軟土地基常見的復(fù)合地基處理方法為采用水泥粉煤灰碎石樁,夯實水泥土樁,擠密碎石樁等.

(2)合理處理新老路基的拼接部,提高其整體性

新老路基拼接部的處理對控制路基的不均勻沉降程度至關(guān)重要.合理的拼接措施能有效地控制沉降變形,減小車輛對路面結(jié)構(gòu)的破壞.目前比較常用的拼接措施有兩種:一是在新老路基拼接部進(jìn)行臺階開挖,通過增大接觸面積來加強路基的抗剪強度,開挖面同時可為土工格柵的敷設(shè)提供錨固空間;二是通過鋪設(shè)土工格柵與新路基進(jìn)行銜接,使新老路基盡量形成一個整體,減少不均勻沉降,防止路面開裂.

(3)采用輕質(zhì)填料,減小差異沉降和側(cè)向變形加寬路堤的自重是產(chǎn)生差異沉降和附加側(cè)向變形的重要因素.在高速公路改擴建工程中,加寬路堤會對地基產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力,使路基產(chǎn)生差異沉降和側(cè)向變形,為防止這種情況出現(xiàn),工程中也常采用輕質(zhì)土料進(jìn)行路堤填筑,如二八灰土、粉煤灰、EPS(膨脹聚苯乙烯泡沫塑料)等.

1.2 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

《公路路基設(shè)計規(guī)范》[10](以下簡稱《規(guī)范》)規(guī)定:軟土地基進(jìn)行路基拓寬設(shè)計時,在路基拼接部應(yīng)控制新老路基之間的差異沉降,既有路基與拓寬路基的路拱橫坡度的工后增加值應(yīng)小于0.5%,地基處理措施的選取和設(shè)計應(yīng)綜合考慮軟土層的厚度和埋深,既有地基的固結(jié)度和剩余沉降情況,路基寬度和拼接形式等因素,以控制拓寬路基的沉降,盡量減小對既有路基的影響.

2 有限元模型的建立

2.1 條件假定

本文以某高速公路加寬工程為例,選取典型斷面,利用有限元軟件ADINA 建立模型.為合理進(jìn)行有限元數(shù)值分析,在準(zhǔn)確反映工程工況的前提下,做出一些條件假設(shè).

(1)新老路基均為足夠長且對稱、連續(xù),故取半結(jié)構(gòu),按二維平面處理.

(2)路基填土和地基土均為理想的均質(zhì)土,本構(gòu)關(guān)系按Mohr-Coulomb彈塑性模型考慮.

(3)老路基已固結(jié)完成,且采用Biot固結(jié)理論.

(4)采用初始應(yīng)力狀態(tài)模擬老路基的先期固結(jié),采用荷載步技術(shù)模擬加寬路基的分層填筑加載.

(5)將路面荷載等效為1m 的填土荷載.

(6)不考慮地基土的橫向不均勻性.

2.2 計算斷面及參數(shù)

該斷面老路基26m,兩側(cè)加寬路基各8m,路面等效荷載的路基填筑高度為5m,坡度為1∶1.5,根據(jù)地質(zhì)勘探資料,該斷面地面以下土層依次為2.0m亞粘土、2.5m泥炭質(zhì)土、8.0m砂土.地基加固措施采用旋噴樁復(fù)合地基,正方形布置,持力層為砂土,以路基中心為對稱軸,取半結(jié)構(gòu)建立模型,見圖1.土層計算參數(shù)見表1.

圖1 半結(jié)構(gòu)模型示意圖

表1 土層計算參數(shù)

為保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,地基和老路基采用四邊形網(wǎng)格,新路基采用三角網(wǎng)絡(luò)劃分,地基加固前的網(wǎng)格劃分圖見圖2.

圖2 地基加固前的網(wǎng)格劃分圖

3 地基加固前后的變形特征分析

3.1 地基加固前的變形特征分析

3.1.1 地表面附加沉降變形特征分析

新路基填筑過程采用生死單元組模擬,每1m為一個填筑單元,當(dāng)填筑高度從1m 增至5m 時,地表面附加沉降曲線見圖3.

圖3 地表面附加沉降曲線

由圖3可知,地表面附加沉降曲線均呈“勺”形.在填筑初期,老路基中心處會出現(xiàn)輕微的抬升現(xiàn)象,從新老路基分界線開始,附加沉降量急劇增大,距老路基中心22m(新路基重心)附近的附加沉降量最大,且隨新路基填筑高度的增加而增加,當(dāng)填筑高度為5m 時,附加沉降量最大,約29cm.

3.1.2 路堤表面沉降變化特征分析

路堤表面沉降分析是路拱橫坡度計算的依據(jù),經(jīng)數(shù)值模擬得到的新老路堤表面沉降曲線見圖4.

圖4 新老路堤表面沉降曲線

從圖4可知,從新老路堤結(jié)合部開始,路堤表面沉降速率顯著增加,在新路基肩處達(dá)到最大,填筑完成時,最大沉降值約30.8cm.工后運營10年后,固結(jié)沉降繼續(xù)增加,最大沉降值約43.2cm;工后運營20年后,沉降量稍有增加,但沉降速度明顯變緩,最大沉降值約46.3cm,表明新填筑路基固結(jié)已基本完成.

3.1.3 路拱橫坡度特征分析

路拱橫坡度是判斷高速公路路基加寬工程是否合格的重要指標(biāo).橫坡度過大會破壞路面結(jié)構(gòu),影響行車安全.通過分析路堤表面的沉降分布規(guī)律,可直觀地反映新老路基的路拱橫坡度變化情況,依據(jù)新老路堤表面沉降量進(jìn)行計算,路拱橫坡度計算方法見公式(1)和(2).

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其中,δi,δj分別為老路堤和新路堤的路拱橫坡度;y0,yi,yj分別為老路堤中心、老路堤計算點和新路堤計算點的附加沉降值;xi,xj分別為計算點至老路堤中心、新路堤中心的距離.

路拱橫坡度計算示意圖見圖5.

圖5 路拱橫坡度計算示意圖

經(jīng)計算,可得到新老路基的路拱橫坡度工后增加值曲線,見圖6.

圖6 新老路基的路拱橫坡度工后增加值曲線

由圖6可知,未經(jīng)處理地基的工后10年路拱橫坡度從新老路堤結(jié)合部附近開始,均已超出《規(guī)范》中規(guī)定的小于0.5%的要求;工后20年時老路堤已基本穩(wěn)定,新路堤仍有少量增加.由此可見,泥炭質(zhì)土地基必須通過處理,才能減小新老路堤間的路拱橫坡度,保證行車安全.

3.2 地基加固后的變形特征分析

為減小新路堤填筑造成的地表面附加沉降,對新路基的地基進(jìn)行樁基處理,以提高承載能力,從而最大限度地減小路拱橫坡度的工后增加值.根據(jù)實際工況可知,地基中分布有2.5m 厚的泥炭質(zhì)土,因此,地基加固采用旋噴樁進(jìn)行處理.為準(zhǔn)確模擬樁土之間的摩擦力,在ADINA 軟件中,將樁體表面設(shè)置為平面型接觸面,樁基選取不同的樁模量、樁長、樁間距和樁徑進(jìn)行組合,得出不同條件下的路拱橫坡度工后增加值,并與《規(guī)范》進(jìn)行對比,為泥炭質(zhì)土地區(qū)高速公路加寬工程的樁基處理提供參考依據(jù).

3.2.1 不同樁模量對加固效果的影響

圖7 地表面最大附加沉降與樁體模量的關(guān)系

圖8 路拱橫坡度工后增加值與樁體模量的關(guān)系

由圖7和圖8 可知,新路基地基經(jīng)樁基處理后,地表面的附加沉降量明顯下降.當(dāng)樁體模量為5GPa 時,地表面最大附加沉降量下降至17.1cm,工后10年和20年的路拱橫坡度增加值分別下降至0.81%和0.85%;當(dāng)樁體模量為10GPa時,地表面最大附加沉降量再降低至13.3cm,減小了54.10%,工后10年和20年的路拱橫坡度增加值再降至0.71%和0.74%.由此可見,當(dāng)樁體模量為10GPa時,各項指標(biāo)可得到明顯改善,隨著樁體模量繼續(xù)增加,加固效果不再明顯,因此,從經(jīng)濟角度考慮,樁體模量的最佳值為10GPa.但從總體來看,單純通過調(diào)整樁體模量仍無法滿足《規(guī)范》中0.5%的要求,還需要優(yōu)化樁體其他參數(shù)進(jìn)行綜合處理.

3.2.2 不同樁徑對加固效果的影響

取樁體模量為10GPa,樁徑分別選取0.4m,0.5m,0.6m 和0.8m,經(jīng)計算,地表面最大附加沉降量與樁徑的關(guān)系見圖9,路拱橫坡度工后增加值與樁徑的關(guān)系見圖10.

圖9 地表面最大附加沉降量與樁徑的關(guān)系

圖10 路拱橫坡度工后增加值與樁徑的關(guān)系

由圖9和圖10可知,增大樁徑后,地表面的最大附加沉降量和路拱橫坡度工后增加值均有所下降,但幅度很小.其原因在于樁徑的增大雖然會提高樁基面積置換率,進(jìn)而提高地基承載力,但樁基的處理深度范圍有限,加固效果并不明顯.綜合施工因素,樁徑宜選擇0.4m.

3.2.3 不同樁間距對加固效果的影響

取樁體模量為10GPa,樁徑為0.4m,樁間距分別選取1.0m,1.5m,2.0m 和2.5m,經(jīng)計算,地表面最大附加沉降量與樁間距的關(guān)系見圖11,路拱橫坡度工后增加值與樁間距的關(guān)系見圖12.

圖11 地表面最大附加沉降量與樁間距的關(guān)系

圖12 路拱橫坡度工后增加值與樁間距的關(guān)系圖

由圖11和圖12 可知,當(dāng)樁間距從2.5m 縮小至2m 時,地表面的最大附加沉降量從13.3cm下降至8.6cm,工后10 年路拱橫坡度增加值從0.71%下降至0.55%,工后20年路拱橫坡度增加值從0.74%下降至0.59%,當(dāng)樁間距繼續(xù)縮小后,各指標(biāo)仍有一定程度的下降.但從施工角度考慮,樁間距過小不僅會造成打樁困難,相鄰基樁之間也易產(chǎn)生相互擠壓現(xiàn)象,影響樁基質(zhì)量,樁基承載力無法得到充分提高,且會增加成本.因此,從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面考慮,樁間距宜選擇2.0m.

3.2.4 不同樁長對加固效果的影響

取樁體模量為10GPa,樁徑為0.4m,樁間距為2.0m,樁長分別選取4.5m,6m,8m 和10m,經(jīng)計算,地表面最大附加沉降量與樁長的關(guān)系見圖13,路拱橫坡度工后增加值與樁長的關(guān)系見圖14.

圖13 地表面最大附加沉降量與樁長的關(guān)系

圖14 路拱橫坡度工后增加值與樁長的關(guān)系

由圖13和圖14可知,增加樁長可明顯改善地基的加固效果.當(dāng)樁長從4.5m 加長至8.0m 時,地表面的最大附加沉降量從8.6cm 下降至4.1cm,工后10年路拱橫坡度增加值從0.55%下降至0.38%,工后20 年路拱橫坡度增加值從0.59%下降至0.42%,分別減小了30.90% 和28.80%;當(dāng)繼續(xù)增加樁長時,各指標(biāo)雖有所下降,但漸趨平緩,其原因在于當(dāng)樁長為8.0m 時,地表荷載無法有效傳遞至樁端,樁長即將達(dá)到臨界狀態(tài),繼續(xù)加長,不僅增加施工難度,而且增加工程成本,因此,臨界樁長以8.0m 為宜.

4 結(jié)論

本文以某高速公路加寬工程為例,進(jìn)行了地基加固技術(shù)優(yōu)化,樁基處理參數(shù)建議為樁體模量10GPa、樁徑0.4m、樁間距2.0m、樁長8.0m.經(jīng)樁基處理后,地表面最大附加沉降量為4.1cm,工后10年路拱橫坡度增加值為0.38%,工后20年路拱橫坡度增加值為0.42%,滿足《規(guī)范》要求.