軟土路基塑料排水板與粉噴樁處理功效研究

黃志堅

摘要 文章以某高速公路拓寬改造項目為例，借助有限元模擬分析方式，對軟土路基塑料排水板處理方法和粉噴樁處理方法的路基處理功效從工期路基沉降、工后路基沉降、軟土路基向位移、軟土路基超孔隙水壓等方面展開研究分析，提出公路軟土路基拼寬時可采用的路基處理方法，僅供行業(yè)參考。

關(guān)鍵詞 公路工程；軟土路基；塑料排水板；粉噴樁；處理功效

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0116-03

0 引言

某高速公路拓寬改造項目是一個軟基拼寬擴建的公路工程，工程決定采取單側(cè)拼接式軟基處理方式，但究竟是采用塑料排水板處理方法還是采用粉噴樁處理方法，在工程設(shè)計階段技術(shù)部門進行了一系列模擬分析研究[1]。該研究介紹其借助PLAXIS限元模擬分析，比較2種軟基處理方法的路基施工期沉降、工后沉降、側(cè)向移位、孔隙水壓力分布等工程影響狀態(tài)，并通過現(xiàn)場測試結(jié)果，驗證模擬結(jié)論的正確性等研究成果，旨在為軟土路基拓寬改造工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 有限元模擬簡述

1.1 塑料排水板與粉噴樁模擬

基于PLAXIS工程有限元模擬分析系統(tǒng)，以某四車道拓寬改造為雙向八車道的高速公路拓寬改造項目為例，對塑料排水板方法與粉噴樁方法的軟土路基處理功效展開研究。路基由厚度為14.00 m的淤泥質(zhì)黏土和5.00 m的密砂土構(gòu)成；地下水位于地面以下1.00 m；舊路基寬度26.00 ｍ、高度6.00 ｍ、拓寬16.00 ｍ，新舊路基的邊坡均取為1∶1.5坡度，采取塑料排水板和粉噴樁兩種軟土路基處理措施。

塑料排水板寬10.00 cm、厚0.60 cm、長14.00 m，剛好穿過淤泥質(zhì)黏土層，平面等邊三角形配置，間距1.30 m，在新路基底部鋪0.50 m厚砂墊層。在有限元模擬中，以內(nèi)嵌排水線單元模擬塑料排水板，且設(shè)定排水線的超孔隙水壓為0。

噴粉樁直徑0.50 m、樁長15.00 m，打入密砂承力層1.00 m，平面方形配置，間距1.30 m，新增路基載荷范圍內(nèi)水平配置13排。模擬中視噴粉樁為理想線彈塑體，樁重19 kN/m，泊松比0.303，彈塑模量200 MPa。

1.2 土體本構(gòu)模型與主要參數(shù)

應(yīng)用PLAXIS系統(tǒng)，采用三角形15節(jié)點高精度離散土體單元進行土體模擬計算，各土層采用彈性理想的摩爾－庫侖塑性模型。土體主要參數(shù)見表1所示。

1.3 邊界約束與操作過程模擬

模型垂向自由，左右兩側(cè)水平移位約束，不排水；底側(cè)垂向和水平移位受到約束，排水；上側(cè)垂向和水平自由，排水[2]。由于路基在初始時刻呈現(xiàn)水平分層，并且路基面和地下水位都是水平的，所以選擇K0過程來產(chǎn)生初始應(yīng)力，即產(chǎn)生與土體重量平衡的垂向應(yīng)力，用側(cè)向土壓系數(shù)K0來計算水平應(yīng)力。

舊路基按一次性筑填過程模擬，作業(yè)時間為330 d，待舊路基建成3年后進行加寬。新路基分步施工，路基分為6層，每層1 m。塑料排水板操作，首先模擬砂墊層、塑料板裝配以及新路基第一層的筑填操作過程，工期為30 d；然后給予30 d間歇，再實施新路基第二層筑填。粉噴樁操作，首先進行粉噴樁和新路基第一層筑填，之后同于塑料排水板操作。

2 塑料排水板與粉噴樁的處理功效分析

2.1 施工中的路基沉降

圖1是3種工況下新路基筑填完畢后基頂面施工中沉降的橫向分布情況?？梢钥吹?，3種工況下基頂面的沉降曲線均呈現(xiàn)勺狀。同時，舊路基頂面發(fā)生了程度不同的向上隆起，在粉噴樁處理、塑料排水板處理和無處理措施3種工況下，舊路基頂面向上最大隆起分別為11.17 mm、37.11 mm和43.88 mm。新路基的筑填無疑會對舊路基形成較大擾動，而塑料排水板形成的擾動明顯大于粉噴樁。而工期沉降主要產(chǎn)生在新路基頂面，當拓寬范圍內(nèi)的軟土路基沒有進行處理，或者采取塑料排水板措施時，基本都是新路基形心處發(fā)生最大工期沉降。其中塑料排水板處理時最大工期沉降為610.82 mm，比未處理時增加了18.80%。未采取措施時的最大工期沉降為514.37 mm。

粉噴樁處理，最大工期沉降位向舊路基坡腳附近轉(zhuǎn)移，其沉降量為165.87 mm，只為沒有處理時的32.20%，比塑料板處理時降低72.80%?？傮w上看，粉噴樁對舊路基的擾動程度最小，而塑料板則加速了軟基的固結(jié)，形成最大工期沉降。所以使用塑料排水板時應(yīng)結(jié)合必要的隔離措施，以盡可能降低對舊路基的擾動。

2.2 路基工后沉降

圖2是3種工況下路基頂面施工后15年的沉降狀態(tài)?？梢钥闯觯跊]有處理措施的情況下，工后沉降曲線呈現(xiàn)勺形，也在新路基的形心處發(fā)生最大沉降，其沉降量為116.98 mm。采用粉噴樁或塑料排水板處理時，沉降曲線呈現(xiàn)盆狀，最大沉降位置移至舊路基與新路基的結(jié)合處，沉降量分別為33.82 mm和50.29 mm，比未采取措施時分別降低71.10%和57.00%。同時，粉噴樁處理、塑料排水板處理和無處理措施3種工況下的最大沉降量差異分別為31.71 mm、36.42 mm和103.49 mm。由此可見，路基拓寬范圍內(nèi)的軟土路基采取粉噴樁或塑料排水板處理，可以有效降低工后差異沉降，并且粉噴樁效果優(yōu)于塑料排水板。

2.3 軟土路基側(cè)向位移

新舊路基結(jié)合處舊路基坡腳沿深度的橫向位移分布狀態(tài)分析顯示，路基在未采取措施和采取了塑料板措施時，側(cè)向移位曲線趨勢狀態(tài)相同，都向舊路基側(cè)凸出。隨著新路基的填筑，側(cè)向移位逐步加大，淤泥質(zhì)黏土層的側(cè)向位移明顯大于密實砂層。兩種工況的區(qū)別：未采取處理措施時，工后15年側(cè)向移位存在一定程度的收縮，而塑料排水板處理的同周期側(cè)向移位持續(xù)向舊路基一側(cè)加大。塑料板處理可以減小施工時的側(cè)向移位，但是15年后的側(cè)向移位與未采取措施大體相同。軟土路基側(cè)向移位主要發(fā)生在淤泥質(zhì)黏土層中，發(fā)生在下伏密砂層的則比較少，但側(cè)向移位的分布規(guī)律與前2種工況不同，曲線表現(xiàn)為鼓包和失圓[3]。隨著新路基的筑填，側(cè)向移位程度先向舊路基側(cè)加大，隨后逐步回縮。新路基填筑后，側(cè)向移位曲線向新路基側(cè)隆起，15年后側(cè)向移位仍在新路基范圍內(nèi)。

2.4 軟土路基超孔隙水壓

在獲得了各種工況下，舊路基建成3年后與新路基完成填筑施工時的軟基超孔隙水壓的分布狀態(tài)。分析顯示，舊路基完成3年后，在舊路基中心以下的淤泥質(zhì)黏土層中部出現(xiàn)了較大的超孔隙水壓力，但是超孔隙水壓力的絕對值一直很低，表明在該算例條件下，舊路基下的軟基的已基本完成固結(jié)；新路基筑填時未采取處理措施，超孔隙水壓力比較大的區(qū)域轉(zhuǎn)移到路基加寬范圍內(nèi)的軟基上；不管是塑料板還是粉噴樁處理方式，較大的超孔隙水壓力主要發(fā)生在舊路基坡腳附近的新舊路基交界處。與無處理措施相比，軟土路基中超靜孔隙水壓力的最大值大大衰減，且粉噴樁處理的衰減更為明顯，表明粉噴樁更適用于高速公路軟土路基的拓寬改造。

在建立有限元模型時，假設(shè)下伏的密實砂層和14 m厚的輕質(zhì)黏土表面是透水的，輕質(zhì)黏土中間的豎向排水路徑較長，建議選擇路基底部以下7 m深度的水平層，作為超孔隙水壓力較大的典型剖面。3種工況下新路基填筑全過程及施工后15年超孔隙水壓力的變化情況分析顯示，3種工況下的超孔隙水壓力曲線形狀不盡相同，但是隨著新道路的筑填，超孔隙水壓力相應(yīng)加大，其基本呈現(xiàn)一致的變化趨勢，并且在施工15年以后，超孔隙水壓力趨于零。

在施工中，當局部路基未采取措施時，超孔隙水壓力最大，新路基側(cè)的超孔隙水壓力遠大于舊路基側(cè)，最大水壓值發(fā)生在新路基的形心區(qū)域。因為舊路基沉降接近完成，新路基接近原巖土狀態(tài)，隨著超孔隙水壓力的消散，新路基側(cè)會發(fā)生較大的沉降，最大沉降量與最大超孔隙水壓力相差無幾。但是因為超孔隙水壓力消散較慢，不管是作業(yè)期間還是施工后15年，新路基側(cè)的沉降始終高于舊路基側(cè)的沉降。

使用塑料排水板時，新路基側(cè)的超孔隙水壓力呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀。在安裝塑料板區(qū)域，超孔隙水壓力為0，在靠近塑料板區(qū)域，超孔隙水壓力消散較快，最大值發(fā)生在舊路坡腳附近。這是由于塑料板增加了軟基的排水通道，且排水距離縮短，使新路基下的超孔隙水壓力迅速消散，加快了固結(jié)速度。當它對工期沉降起反應(yīng)時，新路基側(cè)的沉降遠大于舊路基側(cè)的沉降。完成施工后，新路基側(cè)的路基加固基本完成，所以相應(yīng)的工后沉降減小，在沒有處理措施的情況下，工后沉降曲線為盆形而不是勺形，最大值出現(xiàn)在新舊路基交界處附近，此處路基土呈現(xiàn)被壓縮趨勢。舊路基坡腳傾向于向舊路基側(cè)位移[4]。但在未處理時，因為新路基側(cè)的工后沉降大于舊路基，新路基對舊路基產(chǎn)生拖曳作用，導(dǎo)致舊路基坡腳側(cè)向移位回縮至新路基側(cè)。

由于分析中噴粉樁按不透水材料處理，用樁區(qū)域的超孔隙水壓力為0，而其他區(qū)域的超孔隙水壓力曲線形狀與未處理基本相同，但是超孔隙水壓力值比未經(jīng)處理的小得多，表明粉噴樁不但能增強路基強度，增加形變模量，而且還能有效減少新建路基一側(cè)的工期和工后沉降，限制側(cè)向移位，同時也在一定程度上發(fā)揮防滲功效，使新舊路基的排水條件相對獨立，從而降低了加寬路基施工對舊路基的擾動程度。

3 模擬結(jié)論的現(xiàn)場測試驗證

試驗段位處東南海積平原區(qū)，淤泥質(zhì)黏土厚度超過25 m，既存線路的路基未處理。獲得了4種處理方案對應(yīng)的新路基表面中心區(qū)域的沉降量測試結(jié)果，其中工期沉降取實際測量值?？偝两禐楦鶕?jù)單向分層總和法計算的最終沉降。表2為舊線沉降與位移量測試結(jié)果。

試驗結(jié)果顯示：

（1）不管是工期沉降還是工后沉降，噴粉樁沉降均低于塑料板沉降。塑料板處理的沉降其時程曲線比噴粉樁更陡，表明前者的沉降速率較大，不利于保持舊路基穩(wěn)定。

（2）噴粉樁處理的側(cè)向移位僅為塑料排水帶處理的1/3。有限元模擬的不同工況下路基側(cè)向移位存在差異，可能是現(xiàn)場測量時護道填土和排水溝開挖對測斜儀移位的影響所致。

（3）塑料排水板處理的既有線道碴底腳沉降和側(cè)向位移大于粉噴樁處理，塑料排水板處理對既有線路基影響顯著。

（4）粉噴樁的樁間距和樁長都會影響處理功效。從荷載曲線來看，DJM短樁的填方高度最高，加載速度最快，但是施工期沉降、既有線沉降和側(cè)向位移以及抬道次數(shù)最少。就該工程而言，樁長較短、樁間距較密的粉噴樁處理方案較好。

（5）現(xiàn)場試驗結(jié)果充分證明了數(shù)字模擬宏觀結(jié)論的正確性，即無論是沉降、側(cè)向移位還是對既有線的影響，塑料排水板的處理功效都不如粉噴樁。

4 結(jié)語

新舊路基差異沉降控制是軟弱路基公路拼寬擴建的一項實用性較強的應(yīng)用技術(shù)。該文依托工程背景，對軟土基公路拼寬工程中應(yīng)用塑料排水板和粉噴樁處理方法的軟基治理功效開展了分析研究，構(gòu)建并介紹了單側(cè)拼寬塑料板處理軟土路基有限元模型、單側(cè)拼寬噴粉樁處理軟土路基有限元模型。圍繞工期路基沉降、工后路基沉降、軟土路基向位移、軟土路基超孔隙水壓等指標，對比分析了塑料排水板方法和粉噴樁方法的軟土路基處理功效，揭示了不同處理方法和工況下的路基沉降、側(cè)向移位、軟基內(nèi)超孔隙水壓變化規(guī)律，并通過工程現(xiàn)場測試，驗證了有限元模擬結(jié)論的正確性。分析結(jié)果顯示，無論是沉降、側(cè)向移位還是對既有線路的影響，粉噴樁的處理功效相對優(yōu)于塑料排水板的處理功效。

參考文獻

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