公路濕陷性黃土地基處置效果對(duì)比分析

■李宇佳

（長(zhǎng)治市至誠(chéng)公路監(jiān)理檢測(cè)有限公司，長(zhǎng)治 046000）

黃土在我國(guó)分布廣泛， 由于受到形成原因、氣候等因素影響，約60%的黃土具有濕陷性。 當(dāng)濕陷性黃土含水量超過(guò)一定值[1]，在外部荷載作用下就會(huì)產(chǎn)生塌陷，而以濕陷性黃土作為地基的公路結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變形破壞。 濕陷性黃土處置不當(dāng)會(huì)使路基出現(xiàn)不均勻沉降、沉陷等病害[3-4]，破壞道路結(jié)構(gòu)，影響安全行車。 為了消除黃土的濕陷性，可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果確定處置方案，常用的方法有翻壓法、擠密樁法、CFG 樁等[2]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，積累了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并總結(jié)得出了較為完善的濕陷性黃土處置方案。 然而，由于各個(gè)地區(qū)地質(zhì)條件差異較大，不同處置方法的施工成本也存在一定差異，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件調(diào)整施工參數(shù)，合理確定處置方案。為確定最佳的處置方案，本文以某高速公路濕陷性黃土地基處置作為研究背景，利用有限元對(duì)比分析采用翻壓法和灰土擠密樁2 種方法的處置效果，在綜合考慮各方面因素的情況下合理選擇處置方案。

1 依托項(xiàng)目濕陷性黃土地基概況

某高速公路建設(shè)項(xiàng)目沿線分布有大量濕陷性黃土地基，路基設(shè)計(jì)寬度為24.5 m。 該地區(qū)全年降雨主要集中在雨季，7—9 月降雨量較大， 其他月份降雨量較少；晝夜溫差較大，偶有雨雪冰雹等災(zāi)害性天氣，夏季炎熱，冬季寒冷，四季分明。 施工區(qū)域地處黃土高原，受河水沖蝕作用，溝壑縱橫，地形起伏高度較大，沿線最大高差約為350 m。其中K14+205～K22+526 段、K33+152 ～K37+355 段 和K46+338～K49+796 段為濕陷性黃土地基，特別是K33+152～K37+355 段為黃土丘陵地貌，地形起伏不大，地質(zhì)條件較差。該路段地基土上層為第四系上更新統(tǒng)黃土，下伏老黃土，未浸水狀態(tài)下質(zhì)地堅(jiān)硬，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)得出黃土濕陷性系數(shù)在0.07～0.08，δzs＜0.015，斷濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)非自重性濕陷性黃土，具中壓縮性，濕陷性等級(jí)較高。 綜合考慮各方施工因素，擬采用翻壓法和灰土擠密法2 種方案進(jìn)行處置。

2 有限元模型建立

2.1 建立幾何模型

本文選取地質(zhì)條件較差的K34+100～K34+200段濕陷性黃土地基作為研究對(duì)象，根據(jù)翻壓法和灰土擠密樁處置施工參數(shù)，建立幾何模型。 翻壓處置開挖后在地基土內(nèi)部摻入8%的石灰，并反復(fù)碾壓至壓實(shí)度達(dá)到96%以上。 灰土擠密樁設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m，樁身采用3∶7 灰土，以正三角形間距1 m 布置，樁長(zhǎng)為5～7 m，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)濕陷性黃土厚度確定。 考慮到路基沿中線對(duì)稱[5]，為了減少計(jì)算工作量，只取一半路基建立幾何模型，路基寬度為12.25 m、路堤填方高度為5 m，邊坡坡度為1∶1.5，地基寬度為50 m，計(jì)算深度為20 m，建立幾何模型如圖1 所示。

圖1 路基幾何模型

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察報(bào)告[6]，確定模型各部分計(jì)算參數(shù)（表1）。

表1 模型各部分計(jì)算參數(shù)

2.3 邊界約束條件

本文主要研究采用翻壓法和灰土擠密樁2 種方法處置后濕陷性黃土地基的沉降情況，分析確定模型邊界約束條件為：模型底部全約束，模型頂部自由；模型4 個(gè)側(cè)面Z 方向自由，X、Y 方向約束。

3 有限元模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 地基沉降對(duì)比分析

3.1.1 翻壓法處置地基沉降計(jì)算結(jié)果

通過(guò)模擬路堤填筑過(guò)程，隨路堤填筑高度的增加填土荷載也隨之增加，按照逐級(jí)加載的方式計(jì)算地基沉降量。 為分析翻壓法對(duì)黃土濕陷性的消除效果， 分浸水和未浸水2 種工況計(jì)算地基沉降量，整理數(shù)據(jù)繪制不同工況路基沉降云圖和不同部位地基沉降變化曲線如圖2、3 所示。

分析圖2 和圖3 可知，在未浸水工況下地基沉降量較小，浸水后地基沉降量明顯增加，說(shuō)明浸水后地基土仍會(huì)產(chǎn)生較大的濕陷變形。 未浸水路基中心位置沉降量最大， 隨距路基中線距離增加而下降，基本呈現(xiàn)線性下降的變化趨勢(shì)。 浸水后地基沉降出現(xiàn)了較大變化，沉降量最大值出現(xiàn)在距路基中心線約9 m 的位置，地基沉降大體呈現(xiàn)“V”字形。未浸水地基沉降最大值為17.32 cm，浸水后地基沉降最大值為24.61 cm，沉降量增加了7.29 cm，浸水后仍產(chǎn)生了較大的沉降，說(shuō)明采用翻壓法處置后地基土仍具有一定的濕陷性。

圖3 地基沉降變化曲線

3.1.2 灰土擠密樁處置地基沉降計(jì)算結(jié)果分析

同樣按照上述加載方式，對(duì)采用灰土擠密樁處置后的濕陷性黃土地基沉降進(jìn)行模擬計(jì)算。 在未浸水和浸水2 種工況下計(jì)算地基沉降量，得出地基沉降云圖和地基沉降曲線如圖4、5 所示。

圖4 不同工況地基沉降云圖

圖5 地基沉降變化曲線

分析圖4、5 可知，在未浸水和浸水2 種工況下地基沉降量略有差異， 但浸水后沉降增加幅度較小，且地基沉降總體變化趨勢(shì)相近。2 種工況下地基沉降量最大值均出現(xiàn)在路基中線位置，未浸水工況下沉降量最大值為14.34 cm，浸水工況下沉降量最大值為15.98 cm，浸水后沉降量增加了1.64 cm，沉降量增幅較小，說(shuō)明采用灰土擠密樁有效消除了地基土的濕陷性，提高了地基的穩(wěn)定性。

3.1.3 2 種方法地基沉降對(duì)比分析

采用翻壓法在未浸水工況下地基最大沉降出現(xiàn)在路基中線位置，沉降最大值為17.32 cm；采用灰土擠密樁處置最大沉降量為14.34 cm，兩者位置相同，沉降量相差2.98 cm，相差不大。 浸水后采用翻壓法處置地基沉降最大值出現(xiàn)在距路基中線9 m位置，最大沉降量為24.61 cm；而采用灰土擠密樁處置地基浸水后最大沉降值仍出現(xiàn)在路基中線位置，最大沉降量為15.98 cm，兩者相差8.63 cm，相差較大，說(shuō)明采用灰土擠密樁處置可有效消除地基土的濕陷性，降低地基沉降，提高路基穩(wěn)定性。

3.2 地基沉降不均勻性對(duì)比分析

3.2.1 翻壓處置地基沉降不均勻性計(jì)算結(jié)果

濕陷性黃土地基由于受到地下水、外部荷載等因素的影響，容易產(chǎn)生不同程度的不均勻沉降。 為了確定2 種方法對(duì)濕陷性黃土地基的處置效果，分別在1/2 滲水、2/3 滲水和全滲水3 種工況下對(duì)地基的不均勻沉降進(jìn)行計(jì)算， 對(duì)比分析確定最優(yōu)方案。對(duì)翻壓處置路段進(jìn)行模擬分析，整理計(jì)算結(jié)果繪制不同工況下地基沉降變化曲線如圖6 所示。

圖6 不同工況下地基沉降變化曲線

分析圖6 沉降曲線變化趨勢(shì)，可以得出隨滲水量的增加，地基各部位沉降量隨之增加，地基在翻壓處置后仍存在不均勻沉降，且隨滲水量的增加不均勻沉降幅度越大。在1/2 滲水工況下，距路基中線約9 m 位置出現(xiàn)了小幅度的不均勻沉降； 在2/3 滲水工況下，距路基中線約8 m 位置出現(xiàn)了小幅度的不均勻沉降；在全滲水工況下，在距路基中線約9 m位置出現(xiàn)了嚴(yán)重的不均勻沉降，地基變形嚴(yán)重，與路基中線位置最大沉降差為7.51 cm。 根據(jù)上述分析結(jié)果，得出隨滲水量的增加翻壓處置后的濕陷性黃土地基仍會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，說(shuō)明采用翻壓處理對(duì)地基不均勻沉降的控制效果一般。

3.2.2 灰土擠密樁處置地基沉降不均勻性計(jì)算結(jié)果

同樣在1/2 滲水、2/3 滲水和全滲水3 種工況下對(duì)灰土擠密樁處置的地基不均勻沉降進(jìn)行計(jì)算，整理計(jì)算結(jié)果， 繪制不同工況下地基沉降變化曲線，如圖7 所示。

圖7 不同工況下地基沉降變化曲線

分析圖7 沉降曲線變化趨勢(shì)，可以得出隨滲水量的增加，地基沉降量隨之增加，從1/2 滲水到2/3滲水工況，沉降增加幅度較大，從2/3 滲水到全滲水工況，沉降量增加幅度較小，未出現(xiàn)不均勻沉降情況。 在3 種工況下，沉降量最大位置均出現(xiàn)在路基中線位置， 隨距路基中線距離的增加均勻下降，且最大沉降量遠(yuǎn)小于翻壓法處置地基，說(shuō)明采用灰土擠密樁處置后地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 沒有產(chǎn)生不均勻沉降，進(jìn)一步說(shuō)明灰土擠密樁處置效果可有效消除地基土的濕陷性。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

以K34+100～K34+200 段為試驗(yàn)段， 按照上述灰土擠密樁設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，完工后在地基頂部布設(shè)沉降管，在路基填筑過(guò)程中對(duì)全斷面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每20 m 布置1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，試驗(yàn)段共設(shè)置5 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。本文取沉降量最大的K34+140 段作為研究對(duì)象，沉降監(jiān)測(cè)周期為6 個(gè)月，分別取監(jiān)測(cè)前期和后期各2 次監(jiān)測(cè)結(jié)果，收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制沉降變化曲線如圖8 所示。

圖8 K34+140 全斷面沉降變化曲線

分析圖8 沉降曲線變化趨勢(shì)可知，監(jiān)測(cè)沉降量前期隨時(shí)間增加增幅較大，后期增幅很小，路基中線部位沉降量最大，向兩側(cè)路肩沉降量逐步縮小，最終沉降量較小，未出現(xiàn)不均勻沉降。 前2 次監(jiān)測(cè)處于施工階段，路基沉降量增幅較大，后2 次路基填筑施工完成，沉降逐步穩(wěn)定。 最后1 次沉降監(jiān)測(cè)路基中線位置沉降量為18.62 cm，沉降量較小。 路基各部位沉降量變化均勻，沒有出現(xiàn)不均勻沉降，說(shuō)明處置后地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 與上述有限元計(jì)算結(jié)果一致，說(shuō)明數(shù)值模擬分析結(jié)果準(zhǔn)確，可作為確定濕陷性黃土地基處置最優(yōu)方案的依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

利用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)翻壓法和灰土擠密樁處置后的濕陷性黃土地基沉降計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果確定最優(yōu)施工方案，得出以下結(jié)論：（1）在未浸水工況下采用2 種方法處置后地基沉降相差不大，但浸水后采用灰土擠密樁處置的地基沉降量明顯低于翻壓法，說(shuō)明采用灰土擠密樁處置效果更好， 可有效控制地基沉降；（2）在3 種工況下，采用翻壓法處置的地基均出現(xiàn)了不同程度的不均勻沉降，而采用灰土擠密樁處置后沒有出現(xiàn)不均勻沉降，且地基沉降量也較小，進(jìn)一步說(shuō)明灰土擠密樁處置效果更好；（3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明路基填筑完成后地基沉降量逐步穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)不均勻沉降，與有限元計(jì)算結(jié)果一致，說(shuō)明灰土擠密樁處置方案合理。