公路軟土路基沉降與處理對策研究

石峰

摘要 軟土作為公路建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)的不良地質(zhì)，其較小的抗變形能力及承載強(qiáng)度極易對公路行車穩(wěn)定性造成一定威脅。分析軟土路基的沉降，提出相應(yīng)的處治措施，以確保公路使用耐久性。文章依托新疆某高速公路軟土填方路基進(jìn)行ANSYS有限元的變形分析，并且對軟土路基經(jīng)土工格柵+水泥攪拌樁復(fù)合加固處理后的變形效果進(jìn)行評估。結(jié)果表明，加固后的軟土路基頂部、底部的豎向與水平向變形得到了明顯限制；15年工后沉降最大值4.8 cm，滿足技術(shù)規(guī)范要求；加固后復(fù)合地基豎向應(yīng)力多集中于樁體，土體豎向應(yīng)力分布得到有效減弱。

關(guān)鍵詞 軟土路基；復(fù)合加固；工后沉降

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）12-0042-03

0 引言

公路路基作為公路工程建設(shè)的主要內(nèi)容，直接關(guān)聯(lián)公路建設(shè)質(zhì)量。軟土路基過大的沉降會(huì)造成公路運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)增大，引發(fā)交通安全事故。因此，公路軟土路基需要依據(jù)實(shí)際建設(shè)環(huán)境，選取科學(xué)合理的加固方法進(jìn)行加固。在公路路基設(shè)計(jì)及施工階段，需要嚴(yán)格依照相關(guān)技術(shù)規(guī)范控制軟土路基沉降，增大軟土承載強(qiáng)度，減小壓縮性，確保路基長期使用的穩(wěn)定性。目前常采取排水固結(jié)、加筋、夯實(shí)、水泥攪拌樁等加固技術(shù)對軟土路基進(jìn)行處治。不同加固技術(shù)下的軟土路基力學(xué)響應(yīng)不同。開展軟土路基沉降及加固措施研究具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 軟土路基沉降處治技術(shù)

1.1 沉降特性

軟土是公路路基修筑階段經(jīng)常遇到的土質(zhì)結(jié)構(gòu)。軟土路基極容易在外在荷載作用下產(chǎn)生過大沉降，導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和后續(xù)公路沉陷等病害。軟土路基沉降主要包括瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降3類，如圖1所示。瞬時(shí)沉降主要在路基不排水情況下受荷載作用產(chǎn)生了瞬時(shí)變形，該階段孔隙水沒有排出土體，路基總體積不變化，多由骨架蠕變導(dǎo)致。主固結(jié)沉降則主要是路基在荷載施加下孔隙水排出、超孔隙水壓力不斷消散產(chǎn)生的沉降，是路基沉降的主要構(gòu)成部分。次固結(jié)沉降則是路基骨架有效應(yīng)力不變而結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化使內(nèi)部應(yīng)力重新分布而產(chǎn)生的沉降，該階段土體內(nèi)部的超孔隙水壓力基本完全消散。

1.2 常用加固技術(shù)

1.2.1 換填法

軟土路基換填技術(shù)主要是將路基底部深度較小的軟土層挖除，并且替換成穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、質(zhì)地堅(jiān)硬的材料，在此基礎(chǔ)上開展振動(dòng)壓實(shí)處理。換填法采取的材料多以沿線周圍分布較為廣泛，且容易被壓實(shí)、滲透系數(shù)較大的砂土和礫石為主。換填法形成的下部結(jié)構(gòu)有助于將路基上部荷載進(jìn)行充分?jǐn)U散，改善地基承載強(qiáng)度，主要適用于淺層地基的加固，如淤泥質(zhì)土、粉砂土、雜填土、黃土等。換填法處理深度一般較小，控制在3 m以內(nèi)，需要依據(jù)工程建設(shè)環(huán)境、地質(zhì)、水文、上覆荷載等合理控制換填法施工參數(shù)。

1.2.2 土工合成材料法

土工合成材料技術(shù)主要采取合成材料進(jìn)行路基的復(fù)合加固處理。軟土路基填筑階段，土工合成材料采取以下步驟進(jìn)行施工：表層土挖除、平整化處理；鋪設(shè)土工合成材料，并且攤鋪平整化上部砂石；路基填筑及壓實(shí)。土工合成材料施工如圖2所示[1]。實(shí)際采取的土工合成材料種類較多，依據(jù)不同加工工藝可分為以下幾種：一是土工織物，作為常用的透水性加固材料，可分為有紡型、無紡型土工織物兩類；二是土工膜，其表層具備防水膜，主要由聚合物和瀝青材料制作而成，依靠其橫向加筋功能實(shí)現(xiàn)路基加固；三是土工復(fù)合材料，其是由多種不同土工材料搭配而成，適用于特殊功能要求的路基加固中；四是土工特種材料，主要分為土工格室、土工網(wǎng)、土工格柵等類別，造價(jià)偏高，路基加固中較為常用。

1.2.3 水泥攪拌樁法

水泥攪拌樁法路基加固主要是在軟土路基中噴射水泥固化劑，促使軟土和水泥產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而提升路基強(qiáng)度和抗變形能力。水泥攪拌樁法具備明顯應(yīng)用優(yōu)勢，如噴射固化劑能夠避免對周圍土層產(chǎn)生擾動(dòng)（下臥層幾乎不受影響）；固化劑種類較多，可依據(jù)實(shí)際土層參數(shù)進(jìn)行不同比例搭配；攪拌樁沉入施工對周圍環(huán)境影響較小等。水泥攪拌樁施工如圖3所示[2]。

2 工程概況

新疆省內(nèi)某高速公路設(shè)計(jì)里程K0+000～K20+250，全長20.25 km，設(shè)計(jì)寬度20 m，雙向六車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速80 km/h。路線穿越地形較為復(fù)雜，沿線溝壑縱橫。軟土地質(zhì)主要分布于K2+000～K4+150段，該路段多以填方路基為主，平均填筑高度達(dá)到了6 m，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表1。經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)勘察可知巖性分布如下：首層為雜填土，平均厚度6 m，稍濕、松散，呈黃褐色，內(nèi)部含有少量碎石；第二層則為粉質(zhì)黏土，平均厚度18 m，軟塑狀，呈黃灰色，強(qiáng)度較低；第三層則為淤泥質(zhì)黏土，平均厚度18 m，呈灰色，流塑狀，強(qiáng)度韌性偏低，內(nèi)部含有較多粉土。土層相關(guān)物理參數(shù)見表2[3]。該路段的工程地質(zhì)相對較差，路基填筑施工中極容易產(chǎn)生沉降過大，繼而引發(fā)相關(guān)路基病害。項(xiàng)目選取斷面K2+500為典型斷面，由于該處軟土埋深過大，擬采取土工格柵+水泥攪拌樁法進(jìn)行路基沉降控制分析。

3 有限元模型分析

3.1 模型構(gòu)建

試驗(yàn)路段典型斷面K2+500填筑高度6 m，沿路基中線兩側(cè)對稱，路基邊坡坡度設(shè)計(jì)為1∶1.2，路基斷面寬度達(dá)到了35 m，現(xiàn)場擬采取分層和分段施工，共分為4次填筑，單層填筑高度為1.5 m，之后開展路面結(jié)構(gòu)層施工。項(xiàng)目主要采取ANSYS對該斷面進(jìn)行沉降分析，為避免模型邊界造成的邊界效應(yīng)，設(shè)定模型地基深度40 m，地基寬度80 m。其中，模型軟土地基兩側(cè)和底部設(shè)置為不透水邊界，兩側(cè)限制地基水平位移，底部限制垂直和水平向位移，地基頂部則需要設(shè)定為排水界面。項(xiàng)目主要采取土工格柵+水泥攪拌樁進(jìn)行路基加固處理，墊層需要布設(shè)在地基和軟土路基銜接位置，其厚度0.6 m，泊松比為0.28，彈性模量45 MPa，容重21 kN/m3。路基底部位置增設(shè)一層土工格柵，張拉模量3 880 MPa，泊松比0.27。墊層以下地基中則需要構(gòu)建水泥攪拌樁，樁間距設(shè)定為1.5 m，泊松比0.21，樁長10 m，樁徑0.6 m。路基填筑施工模擬階段則需要合理設(shè)定固結(jié)分析步，分別對路基每層填筑施工和施工間斷產(chǎn)生的土層固結(jié)進(jìn)行模擬，路基施工結(jié)束之后則需要進(jìn)行15年工后沉降分析[4]。

3.2 計(jì)算分析

3.2.1 沉降

路基沉降作為路基施工關(guān)鍵控制指標(biāo)，為有效分析土工格柵+水泥攪拌樁路基加固和未加固情況下的沉降效果，該文分別構(gòu)建相應(yīng)的有限元模型，并且對路基頂部15年工后豎向變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于選取斷面沿路基中心線兩側(cè)呈對稱，項(xiàng)目主要選取左側(cè)斷面開展分析，計(jì)算獲取路基沉降值對比如圖4所示。結(jié)果表明，土工格柵+水泥攪拌樁復(fù)合加固效果良好，路基頂部沉降有明顯的弱化趨勢；路基中心線位置存在最大沉降，其中未加固路基頂部位置沉降值達(dá)到了23 cm，而加固后的路基頂部最大沉降值則僅為4.8 cm，滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范允許的范圍[5]。

3.2.2 水平位移

路基橫向水平位移是路基邊坡坍塌控制的主要指標(biāo)，項(xiàng)目為分析不同情況下路基橫向變形情況，選取路基底部作為分析位置，獲取圖5所示路基底部15年工后水平位移發(fā)展情況。結(jié)果表明，土工格柵+水泥攪拌樁能夠有效限制路基底部位置水平位移；路基底部水平位移隨著距路基中心線越遠(yuǎn)而不斷增大，坡腳位置的水平位移達(dá)到最大，未加固情況下坡腳最大水平位移為8.5 cm，加固后則僅為2.8 cm。因此，土工格柵+水泥攪拌樁技術(shù)能夠有效控制路基橫向變形，穩(wěn)定效果顯著[6]。

3.2.3 豎向應(yīng)力分布

經(jīng)土工格柵+水泥攪拌樁加固后的斷面15年工后沉降穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力分布明顯區(qū)別于未經(jīng)加固后的斷面應(yīng)力分布，其中，未加固斷面中豎向應(yīng)力主要集中分布于路基中心線底部位置，而加固后的豎向應(yīng)力則主要集中于水泥攪拌樁位置，土層應(yīng)力值明顯要偏小，且擴(kuò)散范圍也相對要窄。由此可見，該加固技術(shù)形成的復(fù)合地基承載強(qiáng)度高，復(fù)合加固促使土層原有豎向應(yīng)力得到重分布，地基土中的豎向應(yīng)力得到弱化，繼而降低路基整體沉降[7]。

4 結(jié)語

軟土路基作為路基施工常見的不良地質(zhì)，其沉降控制需要得到充分重視。該文依托新疆某高速公路軟土填筑路基開展土工格柵+水泥攪拌樁的加固效果分析，獲取有效結(jié)論：加固處理后的軟土填方路基水平位移及沉降均得到了有效控制，路基15年工后沉降最大值為4.8 cm，小于規(guī)范允許值；此外，加固后復(fù)合地基的承載強(qiáng)度和抗變形能力明顯得到了改善，其內(nèi)部應(yīng)力主要集中于樁體，土層應(yīng)力值偏小，沉降也較小。該文所做研究能夠?yàn)檐浲谅坊庸烫峁┮欢▍⒖肌?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]韓培鋒， 姜兆華， 樊曉一， 等. 荷載循環(huán)沖擊下跑道軟土沉降及孔壓變化[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019（3）： 299-304.

[2]燕繼宇， 伍琪琳， 李建宇. 軟土地基沉降計(jì)算中的固結(jié)度分析[J]. 水運(yùn)工程， 2021（9）： 214-215.

[3]秦愛芳， 趙忠義， 孫德安， 等. 長江口軟土的次固結(jié)特性試驗(yàn)研究及應(yīng)用[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2020（2）： 395-405.

[4]王笑， 陳輝， 王趙明， 等. 考慮軟土蠕變效應(yīng)的路基沉降有限元反演分析[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)， 2020（3）： 460-466.

[5]蒲訶夫， 宋丁豹， 鄭俊杰， 等. 飽和軟土大變形非線性自重固結(jié)模型[J]. 巖土力學(xué)， 2019（5）： 1683-1703.

[6]劉智， 唐昌意， 問建學(xué)， 等. 深厚軟土路基沉降預(yù)測方法及工程應(yīng)用[J]. 公路， 2022（7）： 103-108.

[7]安志強(qiáng)， 王小軍， 金展瀟. 濱海軟土區(qū)地鐵軌道過渡段PHDC樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基參數(shù)優(yōu)化分析[J]. 鐵道建筑， 2022（5）： 148-159.