間隔條形改良軟基處理改擴(kuò)建路堤承載變形數(shù)值分析

【摘" " 要】：針對(duì)傳統(tǒng)換填和就地固化地基處理方法工程量大、經(jīng)濟(jì)性差等不足，提出了間隔條形改良處理公路改擴(kuò)建工程軟土地基，結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程，建立了能夠較好反應(yīng)間隔條形改良地基處理特性的數(shù)值分析方法，揭示了間隔條形改良地基處理方法工作機(jī)理和破壞模式，引入間隔比概念，分析了間隔比和改良材料對(duì)改擴(kuò)建路堤承載變形特性的影響規(guī)律。研究表明：間隔條形就地改良處理可大幅度提高路堤承載能力和邊坡穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性較好；路堤的極限承載力隨著間隔比的增加而減小，隨著石灰摻量的增加而增加；隨著間隔比的增大，路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，在高間隔比下，石灰摻量的提高對(duì)邊坡的安全系數(shù)的提升影響并不大。

【關(guān)鍵詞】：改擴(kuò)建路堤；間隔條形改良；承載能力；邊坡穩(wěn)定性；軟基

【中圖分類號(hào)】：U416.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）06-20-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.006

Numerical Analysis of Bearing Deformation of Embankment for Trench

Excavation Replacement and Soft Foundation Reconstruction and Expansion

【Abstract】： In view of traditional replacement and in-situ solidification of foundation treatment methods have shortcomings such as large engineering volume and poor economic efficiency. This paper proposes the use of trenching and replacement to treat soft soil foundations in highway renovation and expansion projects. Based on the actual renovation and expansion project of a certain highway， a numerical analysis method that can better reflect the characteristics of trenching and replacement foundation treatment was established and verified. The working mechanism and failure mode of the trenching and replacement foundation treatment method were revealed， and the concept of replacement ratio was introduced， analyzed the influence of replacement ratio and replacement materials on the load-bearing deformation characteristics of reconstructed and expanded embankments. Research has shown that excavation and replacement can significantly improve the bearing capacity of embankments and slope stability， with good economic benefits; The ultimate bearing capacity of the embankment decreases with the increase of replacement ratio， and increases with the increase of lime content. As the replacement ratio increases， the stability coefficient of the embankment slope gradually decreases， and at high replacement ratios， the increase in lime content has little effect on the improvement of the safety coefficient of the slope.

【Key words】： reconstruction and expansion of embankments；trenching and replacement；carrying capacity；slope stability；soft foundation

換填和就地固化法是公路工程處理軟土地基的常用技術(shù)，原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣；但當(dāng)軟弱土路段較長(zhǎng)、軟弱土層較厚時(shí)，傳統(tǒng)換填和就地固化方法工程量大、經(jīng)濟(jì)性差。因此，提出一種新型的路基改良方法并系統(tǒng)開(kāi)展相關(guān)研究十分必要。韋秋杰等[3]針對(duì)低等級(jí)公路軟土路基，提出換填和加筋相結(jié)合的新式換填處理方法，并采用有限元的方法驗(yàn)證了結(jié)果；黃天元等[4]提出在開(kāi)挖換填之前進(jìn)行超載預(yù)壓處理并使用泡沫混凝土作為回填材料；李繁[5]利用泡沫輕質(zhì)土在處理軟基方面的優(yōu)越性，提出一種半挖半填的路基處理方式，并推導(dǎo)建立了輕質(zhì)土換填路堤荷載下地基側(cè)向位移的理論模型；李金成等[6]使用圍堰換填法針對(duì)沼澤區(qū)的公路軟基進(jìn)行處理，并采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段驗(yàn)證了可行性；王元擴(kuò)[7]針對(duì)山丘地區(qū)的高速公路軟基處理，提出了廣義換填方法，采用清淤、擠淤和就地改良相結(jié)合的方法處理不同工況下的軟弱土層。

以上研究雖然都有所創(chuàng)新，但主要還是傳統(tǒng)換填方法或傳統(tǒng)地基處理方法間的結(jié)合。大面積換填法清除所有軟弱土并回填性質(zhì)較好填料的方式在一些環(huán)境下導(dǎo)致工程量大、施工周期長(zhǎng)，不符合綠色低碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)理念；因此本文結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建軟基處理工程，提出了一種間隔條形改良方法并建立相應(yīng)的數(shù)值模擬，揭示了破壞模式，引入間隔比和改良土石灰摻量?jī)蓚€(gè)改良控制參數(shù)分析了承載變形特性的規(guī)律，成果可以為高速公路改擴(kuò)建工程間隔條形改良后的變形控制提供一些參考。

1 工程概況

寧洛高速公路（來(lái)明段）改擴(kuò)建工程跨江淮波狀平原和沿江丘陵平原，沿線穿過(guò)大量淤泥軟弱土層，軟弱路基段工程地質(zhì)條件較差，如不得到有效處理將會(huì)影響工程質(zhì)量。其中K73+650～K74+890路線上軟弱土連續(xù)分布且總體厚度較大，巖性多為灰色、灰黑色、褐灰色泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，呈軟塑～流塑狀。地下水埋深在0.20～3.80 m。見(jiàn)表1。

2 間隔條形改良技術(shù)

間隔條形改良技術(shù)是通過(guò)對(duì)新路堤下軟弱地基部分挖溝，采用石灰土攪拌現(xiàn)場(chǎng)軟土的方式進(jìn)行改良加固處理。相關(guān)研究[8～9]已經(jīng)驗(yàn)證了石灰作為固化劑處理軟土可以得到較好的固化土性質(zhì)。在淺層軟弱路基區(qū)每隔一段間距s進(jìn)行開(kāi)挖，將一定寬度d開(kāi)挖土體中摻入石灰進(jìn)行就地土體改良，之后將改良土回填至開(kāi)挖溝槽處，并進(jìn)行夯實(shí)施工達(dá)到滿足要求的壓實(shí)度。見(jiàn)圖1。

不同開(kāi)挖溝槽間距s、寬度d及不同石灰固化土強(qiáng)度會(huì)對(duì)新老路堤承載力和長(zhǎng)期沉降產(chǎn)生影響。

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值分析模型建立

為研究不同換填參數(shù)對(duì)公路新老路堤各類性質(zhì)的影響，使用ABAQUS有限元軟件建立改擴(kuò)建路堤三維模型。見(jiàn)圖2。

建立模型時(shí)進(jìn)行如下假定：

1）路基加固區(qū)域內(nèi)土體被認(rèn)為是均質(zhì)且各向同性的；

2）公路作為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型取半幅路堤；

3）原有路堤和拓寬路堤的界面在變形過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)滑移與脫離；

4）認(rèn)為原有的路堤已在長(zhǎng)期荷載作用下完全固結(jié)。

3.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

王超[10]對(duì)路堤邊坡的整體穩(wěn)定性開(kāi)展了較為細(xì)致的研究。為保證建立模型的安全可靠，采用本文數(shù)值模型建立方法計(jì)算文獻(xiàn)[10]中工程的路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，并與其研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。見(jiàn)圖3。

文獻(xiàn)[10]中計(jì)算得到的路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.98，而本文計(jì)算得到的值為2.02，誤差較小，驗(yàn)證了利用上述模型進(jìn)行改擴(kuò)建工程邊坡穩(wěn)定性分析是可靠的。

3.3 數(shù)值分析方案

挖溝換填的控制參數(shù)有開(kāi)挖溝槽間距s、寬度d及不同石灰固化土強(qiáng)度。采用正交試驗(yàn)法、根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取換填比s/d=0（不換填）、0.5（s=0.5 m，d=1.0 m）、1（s=1.0 m，d=1.0 m）、1.25（s=1.25 m，d=1.0 m）、1.5（s=1.5 m，d=1.0 m）、2（s=2.0 m，d=1.0 m）、3（s=3.0 m，d=1.0 m）；石灰固化土強(qiáng)度由石灰摻量控制，根據(jù)石灰摻量與強(qiáng)度指標(biāo)[c、φ]的正相關(guān)關(guān)系，石灰固化土的抗剪強(qiáng)度隨石灰占比的增大而增加，固化土的石灰摻量分別取3%、5%、7%、9%。見(jiàn)表2。

采用正交試驗(yàn)方法對(duì)上述因素進(jìn)行研究，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析換填比s/d、換填固化土石灰摻量（即抗剪強(qiáng)度指標(biāo)）與承載力、邊坡穩(wěn)定性和路堤沉降的影響。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 破壞機(jī)理分析

楊帆[11]從彈塑性力學(xué)角度出發(fā)，提出軟土地基路堤變形破壞彈性、局部塑性變形和剪切破壞三階段，最后土體內(nèi)形成一個(gè)貫通的塑性變形區(qū)，此時(shí)認(rèn)為路堤破壞。

在未對(duì)淤泥進(jìn)行換填處理時(shí)，塑性區(qū)從2個(gè)方向發(fā)展：一是新老路堤交界處通過(guò)淤泥區(qū)到達(dá)坡腳臨空面處，產(chǎn)生貫通的塑性區(qū)；另一個(gè)方向繼續(xù)沿強(qiáng)度較低的軟弱土發(fā)展，塑性區(qū)未貫通。當(dāng)使用石灰固化土換填淤泥區(qū)后，塑性區(qū)從下臥軟弱土層的中部擴(kuò)展開(kāi)來(lái)并向上下連通，最終到達(dá)新老路堤交界處和軟弱土與粉質(zhì)黏土的交界處。當(dāng)繼續(xù)提高換填區(qū)石灰土的強(qiáng)度塑性區(qū)的形狀也不發(fā)生變化。見(jiàn)圖4。

分析路堤的破壞模式可知，使用石灰固化土對(duì)淤泥區(qū)和部分軟弱土進(jìn)行換填可以有效地改變塑性破壞時(shí)的滑弧面形狀。在未對(duì)路基進(jìn)行挖溝換填處理時(shí)，塑性區(qū)容易沿新老路堤結(jié)合面從強(qiáng)度最低的淤泥區(qū)穿過(guò)，產(chǎn)生完整的滑弧面；而當(dāng)提高淤泥區(qū)的土體強(qiáng)度后，潛在滑動(dòng)面在軟弱層最底部。這符合文獻(xiàn)[12]提出的軟土路基上路堤破壞模式，即淤泥區(qū)存在時(shí)其下層土層強(qiáng)度相對(duì)更高，滑動(dòng)發(fā)生在相對(duì)表面的位置；而換填石灰改良土可以視作在路堤底部“加筋”，低強(qiáng)度的“加筋”主要破壞機(jī)制是深層的整體破壞。

分析其原因是在對(duì)淤泥區(qū)處理后，換填區(qū)土體的強(qiáng)度提高，此時(shí)軟弱土層土體性質(zhì)較差，潛在滑動(dòng)面避開(kāi)淤泥換填區(qū)向軟弱土層發(fā)展，因此較不易形成貫通的塑性區(qū)。

3.4.2 承載特性分析

根據(jù)相關(guān)研究[13～14]，固化土和軟土共同發(fā)揮承載作用的復(fù)合地基，固化土承擔(dān)荷載的比例會(huì)隨時(shí)間增加而增大，最終的破壞也將從固化土部分首先體現(xiàn)，考慮土體完全固結(jié)的狀態(tài)，對(duì)承載特性的研究重點(diǎn)考慮固化土的性質(zhì)。

換填比不變的情況下，改擴(kuò)建路堤極限承載力隨換填區(qū)的石灰固化土的石灰摻量增加而增大，結(jié)合石灰改良土石灰摻量和內(nèi)摩擦角與黏聚力的關(guān)系可知，路堤承載力與換填區(qū)的石灰固化土的強(qiáng)度成正比。見(jiàn)圖5。

石灰摻量相同的情況下，隨著換填比s/d增大（換填部分減少）極限承載力逐漸減少，而相同換填比時(shí)，換填部分越多受石灰摻量的影響越明顯，這種影響表現(xiàn)為極限承載力隨石灰摻量增加而先緩慢增大后快速增大。分析原因是隨著石灰固化土的強(qiáng)度提高，換填區(qū)整體性越來(lái)越強(qiáng)，塑性區(qū)難以通過(guò)換填區(qū)導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生滑弧，從而較好發(fā)揮路堤自身的承載力。

結(jié)合破壞模式和計(jì)算結(jié)果的分析可知，挖溝換填可以降低路堤滑動(dòng)破壞的可能，有效提高路堤的承載力。需要注意的是雖然換填區(qū)固化土的石灰摻量可以提高路堤的極限承載力，但在較大換填比的工況下提升不明顯，這是因?yàn)檎急却蟮奈磽Q填區(qū)域發(fā)生破壞后，少部分換填區(qū)無(wú)法阻止路堤整體的破壞趨勢(shì)。

3.4.3 邊坡穩(wěn)定性分析

隨著換填比的增大，路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，高換填比下，石灰摻量的提高對(duì)邊坡的安全系數(shù)的提升影響不大。見(jiàn)圖6。

兼顧經(jīng)濟(jì)性，追求大范圍的換填會(huì)造成資源浪費(fèi)，綜合考慮較高的路堤承載力，可選擇換填比s/d=0.5、石灰摻量5%和換填比s/d=1、石灰摻量9%2種工況。

綜上所述，挖溝換填可以有效提高路堤的極限承載力。石灰摻量不變，路堤的極限承載力隨著換填比s/d的增加而減小，換填比不變時(shí)極限承載力隨著石灰摻量的增加而增加，但換填比s/d過(guò)大會(huì)明顯影響路堤承載力和穩(wěn)定性的增長(zhǎng)使得增加石灰摻量也無(wú)法達(dá)到較好的效果。

3.4.4 變形特性分析

淤泥換填區(qū)的壓縮量隨著石灰摻量的增加逐漸較小且減小趨勢(shì)越來(lái)越慢，分析原因是石灰摻量的增加有助于換填區(qū)發(fā)揮復(fù)合地基硬殼層的作用。淤泥換填區(qū)的壓縮量隨換填比的增加不斷增大，說(shuō)明在高換填比下，路堤的整體沉降更明顯，不利于工程穩(wěn)定性。為控制路堤的變形，需要控制換填比s/d不會(huì)過(guò)大。見(jiàn)圖7。

路堤表面的最大沉降發(fā)生在新路堤的坡肩處，沉降值可達(dá)34.5 cm，相同石灰摻量時(shí)，在對(duì)下部淤泥區(qū)進(jìn)行換填處理后沉降值下降至14.77 cm，沉降減少了57.2%。最大差異沉降由不換填時(shí)的36.85 cm減少至16.46 cm，認(rèn)為下部淤泥區(qū)的處理對(duì)降低路堤沉降，減少新老路堤差異沉降效果顯著。未經(jīng)換填處理時(shí)路堤下部的最大沉降發(fā)生在新路堤的路肩下方處，最大沉降量為37.1 cm，新老路堤的最大差異沉降為32.6 cm，差異沉降非常大且在新路堤坡腳處位移值為8.72 cm，認(rèn)為此時(shí)的坡腳處有明顯的隆起現(xiàn)象。見(jiàn)圖8。

在進(jìn)行換填后，新老路堤下部沉降量明顯減少，在石灰摻量3%完全換填工況下最大沉降僅為14.92 cm，對(duì)比不換填工況，沉降減小了22.18 cm。新老路堤的差異沉降為8.92 cm，差異沉降大大減小，分析認(rèn)為在進(jìn)行淤泥換填后，原有淤泥區(qū)的土體性質(zhì)得到改善，其壓縮性減小，在新路堤擴(kuò)建施加新的應(yīng)力后，整個(gè)土層的壓縮量大大減小，說(shuō)明換填效果顯著。在不進(jìn)行淤泥換填處理情況下，填土層最大沉降發(fā)生在新老路堤交界處下部附近，填土層下部的最大沉降量可達(dá)20.97 cm，該層的最大沉降差異為15.97 cm。在進(jìn)行淤泥換填后，以石灰摻量3%完全換填工況為例，最大沉降發(fā)生在新路堤披肩下方處，其最大沉降減小為13.3 cm，該層的最大差異沉降減小為7.67 cm。見(jiàn)圖9。

在不換填情況下，軟土層下部的最大差異沉降值為3.97 cm，在進(jìn)行換填后，沉降量有所減小，但減小程度較小，效果不明顯。以石灰摻量7%全換填為例，差異沉降量為3.86 cm，沉降量減小了0.85 cm，差異沉降量減小了0.11 cm，說(shuō)明換填處理對(duì)該層的沉降影響較小。見(jiàn)圖10。

對(duì)比圖9和圖10可以看出，未進(jìn)行換填處理時(shí)改擴(kuò)建工程導(dǎo)致沉降發(fā)生的主要位置在新路基的路肩下軟土處，不換填工況下的沉降曲線在新路堤所在一段呈現(xiàn)出明顯的低谷，而在坡腳附近高于換填處理工況下的曲線。這符合文獻(xiàn)[15]中側(cè)向擠出的現(xiàn)象，說(shuō)明經(jīng)過(guò)換填處理后，固化土層在豎直方向和側(cè)向都限制了軟土路基的沉降，導(dǎo)致軟基路堤最終沉降量大幅減少，驗(yàn)證了挖溝換填能夠給較好地減少路堤沉降量。

4 結(jié)論

1）挖溝換填可以有效提高路堤極限承載力，路堤極限承載力隨著換填比s/d的增大而減小，隨著石灰摻量的增大而增大。換填比超過(guò)某值后，改變?cè)撝祵?duì)路堤承載力增長(zhǎng)影響較小。

2）換填區(qū)的壓縮量隨著石灰摻量的增大逐漸減小，隨換填比的增大不斷增大。

3）隨著換填比的增大，路堤邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，高換填比下，石灰摻量的提高對(duì)邊坡安全系數(shù)的提升影響并不大。

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