有無側限條件下公路軟基堆載預壓對比研究

聶志林，劉 杰，劉 庭，劉豐瑋

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

有無側限條件下公路軟基堆載預壓對比研究

聶志林，劉 杰，劉 庭，劉豐瑋

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

為降低堆載預壓排水固結對周邊環境的不利影響，提出了側限堆載預壓控制技術。基于FLAC3D有限元分析軟件建立有無側限堆載預壓排水固結模型，將無側限堆載預壓模擬結果與實測結果進行對比，驗證了數值模擬模型的合理性與可行性，探討了有無側限堆載預壓的差異。研究結果表明：側限控制技術能有效降低軟土地基沉降、加快前期固結速率；同時側限位置離堆載預壓區邊緣越近，側限效果越好。

側限；公路軟基；堆載預壓；沉降

0 引言

軟土地基是一種特殊性巖土地基，一般在靜水或緩慢流水的環境下沉積形成，大多分布在我國沿海地區，洞庭湖、洪澤湖、太湖、鄱陽湖以及昆明滇池等地區也分布有湖相沉積內陸軟土[1-2]。由于軟土地基具有壓縮性高、抗剪強度低、透水性差等特點，所以在軟土地基上修建公路，必須考慮公路路基的變形和穩定問題。

歷年來，眾多學者針對軟土地基的處理總結了多種應用方法，如換填法、加筋法、置換法、排水固結法等。然而在實際工程中，往往出現土體的側向擠出變形，導致土體不均勻沉降，周邊相鄰建筑物傾斜等問題。彭宇一等[3]通過對高速公路軟土路基側向變形的研究，分析了側向變形的特點，側向變形對路基穩定的影響以及控制側向變形的措施，指出了目前對側向變形監測與評價中存在和應注意的問題。N. Loganathan等[4-5]系統分析了側向位移對路基沉降的影響，并定量給出了路基沉降與側向位移的關系。李國維等[6]基于三軸蠕變試驗和平面應變蠕變試驗結果，研究了路堤下深厚的海相沉積軟土側向變形對沉降的影響。陳繼彬等[7]依據四川省遂-資（遂寧至資陽）高速公路軟基沉降變形觀測的結果，探討了西南地區軟土路基經塑料排水板(PVD)、碎石樁處理后，路基側向變形隨深度、最大側向變形增量與地表沉降增量、平均側向變形量與地表沉降量的變化規律。

本文基于FLAC3D有限元分析軟件建立有無側限堆載預壓模型，來對比研究有無側限堆載預壓排水固結的差異，探討側限設置位置對地基沉降的影響。

1 側限堆載預壓技術

為限制軟土在預壓荷載作用下的側向擠出，降低堆預壓對周邊環境的不利影響，提出了側限堆載預壓技術，即在堆載預壓區邊緣通過水泥攪拌樁相互搭接，形成限制軟土側向擠出的格柵狀水泥土墻,如圖1所示。水泥土墻的深度及寬度由水泥土墻的穩定性、軟土厚度、不透水層的埋藏深度等綜合確定。此技術的作用是：1）側限作用。通過設置水泥土墻，限制軟土側向擠出，降低堆載預壓對周邊環境的不利影響。2）隔離作用。對于地下水位較高的場地，采用水泥土墻將堆載區與非堆載區隔離開來，阻斷或延長地下水的滲透路徑，避免非堆載區地下水位大幅度降低導致周邊環境產生較大沉降及不均勻沉降。

圖1 側限技術示意圖Fig. 1 A sketch map of lateral restraint technology

2 工程概況

媽祖城核心區基礎設施工程建設項目[8]地處福建省莆田市忠門半島東南媚洲灣畔，施工的填砂總量約32.3萬m3；填海造地面積約341萬m2，充填砂總量約1 430萬m3。

2.1 工程地質地貌

湄洲灣受地質構造和巖性控制，呈西北高，東南低的地勢。文甲貿易碼頭北依陸地，南面臨海，由北向南逐漸向海中傾斜。本工程填海造地面積較大，工程區域的地基土層主要由軟土組成，包括淤泥質黏土層A、粉質黏土層B、淤泥質粉質黏土層C及部分含泥中砂。地基軟土層的厚度分布不均，軟土時代不明，軟土層主要物理力學參數如表1所示。

為提高地基承載能力，采用堆載預壓加豎向排水板技術進行加固，塑料排水板長度為7 m，其中2.5 m位于吹填砂內。為了控制固結速率，采用分期堆載，堆載高度與時間的關系曲線如圖2所示。

表1 軟土層主要物理力學參數Table 1 Major physical and mechanical parameters of the soft soil

圖2 堆載高度與時間的關系曲線Fig. 2 Relation curve of load height and time

2.2 監測結果

根據現場實測數據選取PXK1+000觀測點的沉降值進行分析。持續觀測332 d，累計沉降269 mm。

現場需要將2.5 m高砂墊層填完后再插入塑料排水板，因此現場記錄下的堆載—沉降曲線是在2.5 m砂墊層吹填完后監測的結果。堆載高度、沉降與時間的關系曲線如圖3所示。

圖3 堆載高度、沉降與時間的關系曲線Fig. 3 Relation curves of load height, settlement and time

3 數值分析

結合地質勘查報告，以現場監測的橫斷面PXK1+000為建模的參考面，巖層層頂埋深為13 m。為了簡化計算模型，通過李豪的方法[9]將塑料排水板的地基土層參數等效成滲透系數較大的天然地基土層。數值模擬計算的土層參數見表2。

表2 數值模擬各土層計算參數Table 2 Parameters of the soil layers in numerical simulation

考慮到堆載預壓的影響范圍，半模型的計算寬度X方向取60.0 m，其中25.5 m為堆載預壓區；根據巖層的埋深，13.0 m以下為剛性層，計算深度Z方向取13.0 m；計算長度Y方向取單位長度。模型范圍如圖4所示，數值模擬與實測結果對比如圖5所示。

圖4 模型范圍示意圖Fig. 4 A sketch map of the model range

圖5 沉降-時間曲線Fig. 5 Settlement-time curves

由圖5可知，數值模擬結果與實際沉降結果前期吻合較好，后期偏差較大。主要原因是，一方面數值模擬時地基土的滲透系數取值為常量，而實際情況是滲透系數隨著堆載時間增加而減小；另一方面現場的實際施工過程與數值模擬的加載過程存在一定的差異。

4 有無側限堆載預壓對比研究

為了對比有無側限堆載預壓排水固結技術，數值模擬模型如圖6所示，數值模擬各土層計算參數見表2。堆載預壓高度為7.0 m，重度16.30 kN/m3。模型計算寬度X方向取74.0 m，其中24.0 m為堆載預壓區；假設13.0 m以下為剛性層，因此模型計算深度Z方向取13.0 m；計算長度Y方向取單位長度。

圖6 數值模擬范圍示意圖Fig. 6 Schematic diagram of pile loading model

堆載時，為了防止堆載在填筑過程中因地基承載力不足而發生穩定性破壞，因此采用分級堆載，堆載總高度為7.0 m。堆載過程如圖7所示。

圖7 堆載高度與時間的關系曲線Fig. 7 Relation curves of load height and time

圖8～14為有無側限時的數值模擬結果。由該數值模擬結果可知：無側限時，堆載預壓區最大沉降為308.06 mm；側限位置離堆載區邊緣的距離分別為0, 2, 4, 10, 20, 50 m時，堆載預壓區的最大沉降分別為126.50, 152.08, 167.93, 196.90, 225.36, 271.62 mm。這表明，側限的設置對降低堆載預壓區沉降有很好的作用；當側限設置在預壓區邊緣，堆載預壓區最大沉降降低58.93%；當側限位置離預壓區邊緣的距離分別為2, 4 ,10, 20, 50 m時，堆載預壓區最大沉降也分別降低50.63%, 45.49%, 36.08%, 26.85%, 11.83%。

圖8 無側限時數值模擬結果Fig. 8 Simulation results without lateral constraints

圖9 側限在堆載預壓區邊緣時數值模擬結果Fig. 9 Numerical simulation results of the lateral con fi nement on the edge of the surcharge preloading area

圖10 側限距堆載預壓區邊緣2 m時數值模擬結果Fig. 10 Numerical simulation results: with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 2 meters

圖11 側限距堆載預壓區邊緣4 m時數值模擬結果Fig. 11 Numerical simulation results with the edge distance of the lateral limit of the surcharge preloading area being 4 meters

圖12 側限距堆載預壓區邊緣10 m時數值模擬結果Fig. 12 Numerical simulation results:with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 10 meters

圖13 側限距堆載預壓區邊緣20 m時數值模擬結果Fig. 13 Numerical simulation results: with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 20 meters

圖14 側限距堆載預壓區邊緣50 m時數值模擬結果Fig. 14 Numerical simulation results:with the distance of the lateral limit to the surcharge preloading area being 50 meters

圖15為側限設置位置與堆載預壓區最大沉降的關系曲線。從該曲線可以看出，當側限位置離堆載預壓區邊緣的距離大于2 m時，曲線斜率逐漸變小，說明側限的設置對堆載預壓的最終沉降量影響變小。

圖15 側限位置與最大沉降的關系Fig. 15 Relationship between the lateral position and maximum settlement

圖16為不同側限位置與各級堆載下，沉降穩定時間的數值模擬結果。由圖可知，當側限設置在堆載預壓區邊緣時，各級荷載作用下沉降穩定時間很短，第一級堆載穩定沉降值與最終堆載沉降穩定值相差不大；當側限位置離堆載預壓區邊緣的距離大于2 m時，側限的設置對堆載預壓沉降穩定時間影響變小。

圖16 不同側限位置對沉降穩定時間的影響Fig. 16 Effects of different side limit on the time of settlement stabilization

由數值模擬結果可以推得不同側限情形下，達到不同固結度時所需預壓時間，結果見表3。由表3可知，當側限位置設置在堆載預壓區邊緣時，土的固結度達到80%所需預壓時間為140 d；當無側限及側限位置離堆載預壓區邊緣的距離為2, 4, 10, 20, 50 m時，固結度達到80%所需預壓時間均為150 d；固結度達到90%所需堆載預壓時間均為163 d。由此可知，側限設置在預壓區邊緣，前期固結速度較快，達到80%固結度較無側限可縮短10 d，但達到90%的固結度所需時間基本一致。側限設置的最佳位置是在堆載預壓區邊緣。

表3 不同側限下達到不同固結度時的時間Table 3 Time of different consolidation degrees under different lateral limits d

5 結語

為限制軟土在預壓荷載作用下的側向擠出，降低堆載排水預壓對周邊環境的影響，提出了側限堆載預壓技術。通過有無側限堆載預壓數值模擬對比研究，可得以下結論：

1）堆載預壓側限控制技術能有效降低軟土地基沉降，提高前期固結速率，固結度達80%堆載預壓時間最大可縮短10 d，但對最終固結時間影響不大。

2）側限設置位置對堆載預壓影響顯著。當側限位置位于堆載預壓區邊緣時，與無側限相比，堆載預壓區最大沉降降低58.93%。

3）當側限位置離堆載預壓區邊距離大于2 m時，側限設置對堆載預壓影響逐漸減小，最佳側限位置位于堆載預壓區邊緣。

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（責任編輯：鄧光輝）

A Comparative Study on the Surcharge Preloading of Highway Soft Foundation with the Lateral Restraint a Variable

NIE Zhilin，LIU Jie，LIU Ting，LIU Fengwei
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to reduce the adverse effects of the preloading drainage consolidation on the surrounding environment, the concept of the lateral restraint of the surcharge preloading has been put forward. A preloading drainage consolidation model with the lateral restraint a variable has been established by using the finite element analysis software FLAC3D, followed by a comparison between the simulation results and the measured results of the surcharge preloading without the lateral restraint, which has veri fi ed the liability and feasibility of the numerical simulation model. An investigation has been made of the differences between the surcharge preloading with or without the lateral restraint. Experimental results show that the controlling of the lateral restraint helps to effectively reduce the settlement of the soft soil foundation and speed up the initial consolidation rate. Meanwhile the closer the position of the lateral restraint to the edge of the surcharge preloading area, the better the lateral con fi nement effect will be.

lateral restraint；highway soft foundation；surcharge preloading；settlement

U416.1

A

1673-9833(2017)02-0044-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.02.008

2016-10-27

湖南省自然科學基金資助項目（2015JJ5017）

聶志林（1991-），男，湖南懷化人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為軟土地基處理，E-mail：nzlmail@qq.com