南寧外環高速公路軟基處治的數值法研究

摘要：本文依托具體工程實例，利用數值模擬方法對比軟基在處治前后的位移變形情況，并給予工程處治后效果的驗證，從而為加筋+砂墊層法處治軟基提供理論上的依據。

關鍵詞：軟基；沉降；數值模擬

中圖分類號：U412.36+6 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）38-0165-02

軟土主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質所組成的土[1]。目前軟土地基的常見的處治方法有：樁基法、換填法、灌漿法、排水固結法、排水砂墊層法和加筋法等，針對具體的軟基地段，一般會采取兩種或多種結合的處治方法。在建的南寧外環高速公路途徑多處沼澤地、魚塘和小河流所在的軟土區域，由于地質情況較為復雜，給公路建設的施工帶來很大的麻煩。針對該段軟基深度不均勻，且處于填挖結合部，為了更好地減少不均勻沉降，采用砂墊層+加筋法進行處治。本文以在建的南寧外環高速公路上K20+400段軟土地基的處治為例，為加筋+砂墊層法處治軟基提供理論上的依據。

一、軟土地基概況

本文所研究的軟基路段位于南寧外環高速土建№2合同段K20+400處，經現場踏勘可知此處之前為一處魚塘，處治前有少量積水，為沼澤地帶；下覆基巖主要為第三系泥巖，覆蓋層為第四系沖積層[2]；表層沖積粉質粘土呈軟塑狀，黃色，土質不均勻，混有細砂，層厚2.5m～7.5m不等，平均厚度約為6m。

二、加筋法處治過程

軟土地基的常見的處治方法有：換填法、水泥攪拌樁法、碎石樁法和加筋法[3-6]，針對本段軟土地基的實際情況，采取加筋法予以處治。圖1即為采用加筋+砂墊層法處治軟基的橫斷面設計圖。

1.鋪設土工布。先將軟基段表層0.6m的軟土清理掉，下面預先鋪設一層土工布，防止軟基中的水滲透到上層路基里面，起到隔水作用，土工布左右兩端各預留2m的反包段，反包到上層填筑的砂礫層上，起到一定的固定作用。土工布采用交通部行標SNG-400型無紡土工布，斷裂強度≥12.5KN/m，CBR頂破強度≥2.1KN，垂直滲透系數≥0.3cm/s，撕破強度≥0.33KN，幅寬≥6.0m，土工布幅間采用縫合連接，疊合長度不應小于30cm。

2.設置砂礫墊層。砂礫墊層為排水通道，宜采用級配良的砂礫，其泥含量小于3%，滲透系數為6×10-2～6×10-3cm/s，砂礫墊層地面要求略向路基邊緣傾斜，并以震動壓路機碾壓壓實。

3.鋪設土工格室。為了防止軟基不均勻沉降和方便上層路堤土的填筑，在碾壓好的砂礫墊層上面鋪設一層土工格室。采用交通部行標GC50型增強土工格室，格室高度5cm，格室片單位寬度的斷裂拉力≥300N/cm，斷裂延伸率≤3%，連接處連接件的抗剪切力≥1500N，網格尺寸25cm×25cm，格室片厚度≥1.5mm。土工格室鋪設必須垂直于路堤方向展開，每1m用U型錨釘進行錨固，接縫應盡可能靠近路基中部，不可設在路堤邊坡范圍內。鋪土前必須檢查土工格室有無破損，如有破洞、撕裂等現象應立即處理。

4.土工格柵的鋪設。在土工格室上進行路堤的填筑，填筑厚度0.5m后，在上面鋪設一層土工格柵，鋪設時應將格柵拉緊，不允許有皺褶，需嚴格按照有關規范操作。土工格柵左右兩側應各自預留1.5m的反包段，待填筑上層0.5m的土層后，反包在上層的填土上，在一定程度上可以改善邊坡外側土體的特性，延緩和阻止淺層滑坍的發生。根據本段填土高度的情況，鋪設兩層土工格柵加以防護。

三、加筋+砂墊層法的數值模擬

1.模型的建立。采用FLAC3D有限差分程序建立數值計算模型，由于對稱性，選取路基的一半作為研究對象。取一半路基寬度（X）為40m，路線走向方向（Y）取1m，深度方向（Z）取6m。在用差分軟件對軟基進行加筋+砂墊層法模擬時，是通過改變局部土層的土性參數來達到擬合的目的。土工格柵加筋采取加強加筋土體的巖性參數來實現；土工布及格柵的反包過程采取加強邊坡淺層（2m）土體實現；砂墊層的模擬則采取改變軟土體1m的土體強度。根據現場走訪及勘察資料：取路基下伏的軟土地基5m，路堤填高6m，路基寬度取30m，格柵加筋土體兩層取2m，砂墊層厚度取1m，邊坡坡度選取1：1.5。通過相關地質勘察資料，結合實際情況，給出軟基加筋處治層的各層巖性特征參數如表1。

2.未加筋與加筋的沉降位移對比。運用差分軟件模擬軟基路段加筋處治時，可以設置監測點來監測各處的沉降位移變化，在已填筑完成的路基頂部自左向右每隔2m布置一個監測點，共9處；同時監測坡腳處及地基頂部中心點處的位移變化。下圖1、2即分別為軟基在處治前后路基頂部的沉降位移云圖。

從上面兩幅沉降云圖的可以直觀地得出：軟基在處治后沉降云圖上的顏色變淡且分布更為均勻，即表示在處治后路基頂部的沉降位移減小且不均勻沉降也隨之較少，沉降影響深度也有顯著的減??；同時坡腳外土體隆起量在處治后也有了明顯的減小。通過路基頂部各水平監測點，得到了地基在未處治和處治后路基頂部的具體沉降位移情況，如下表2、表3所示。

通過表2、3路基頂處治前后的沉降位移，可得知軟基未經處治時最大沉降達到565mm，且距離邊坡越近的土體沉降越大；處治后路基頂部最大沉降位移為70mm，較之未處治時沉降有了大幅度的減小。在進行數值模擬時同時也監測了地基頂中心處和坡腳中心處的沉降位移變化情況，在未處治時地基頂處的沉降位移為21.5mm，坡腳處隆起位移為410mm；經過處治后地基頂部沉降位移為15mm，坡腳處隆起位移為8.6mm。將地基加筋處治前后路基地表的沉降位移繪成圖5所示，可以很明顯地看出：地基在處治前路基頂部沉降位移很大，且沉降很不均勻；處治后沉降位移變化明顯減少，而且沉降比較均勻。

四、結論與建議

本文以實體工程為依托，采用有限差分數值模擬的方法，建立起軟基加筋+砂墊層法的數值模型；再通過布設在路基頂的監測點，定量化的形式計算出軟基在未經處治和處治后的沉降位移情況，得出的結論及建議如下。

1.軟基在未采取處治時路基頂部的沉降很大，最大值達到565mm，地基頂處的沉降位移為21.5mm，坡腳處隆起位移為410mm；采取加筋+砂墊層法處治后路基頂部的最大位移為70mm，地基頂部沉降位移為15mm，坡腳處隆起位移為8.6mm。處治后路基頂部沉降位移顯著減小，且變得更為均勻，即表現為不均勻沉降得到很大的緩解。

2.通過軟基未處治和處治后的坡腳外隆起量的對比，得知在采取加筋+砂墊層法處治后，隆起量減小且更為均勻，由此可見在處治后邊坡的穩定性達到加強。

3.有限差分數值分析法能定量計算出公路軟基路段路基地表的沉降變形，為預測和控制地表沉降規律提供了可靠的科學依據

參考文獻：

[1]河海大學.交通土建軟土地基工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]南寧外環公路工程地質勘察報告第五冊[R].廣西區交通規劃勘察設計研究院，2010.

[3]劉歡.云南低等級公路軟土路基處治技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2011.

[4]王良發.淺談加筋法軟土地基處理施工技術[J].科技信息，2012，32（10）：1051-1056.

[5]樊正洪.淺談土工格室在軟土路基處理中的應用[J].中國科技信息，2005，32（17）：1324-1328.

[6]戴慶民，蓋希光.土工格柵加筋方法在軟基處理工程中的應用[J].城市道橋與防洪，2002，10（3）783-78.