山西某高速公路軟基穩定性分析及處理

王學軍

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

京昆與青蘭國家高速公路山西境臨汾聯絡線起點位于洪洞縣曲亭鎮薄村西南，接祁臨高速公路臨汾市北環段，通過臨汾市北環段和長臨高速公路相接，路線經范村、北周壁村、南秦村，在三陽堡村跨霍侯一級公路，然后經南伏牛村、北伏牛村，至終點大運高速公路的明姜互通。擬建項目全長16.740 km，均在洪洞縣境內，途徑曲亭鎮、大槐樹鎮、廣勝寺鎮、明姜鎮4鎮，共計12個村。

軟土及軟弱地基主要分布于K8+900—K11+385、K12+100—K14+800、K15+500—K15+900三段，全長5585 m。其中包含橋梁3座（磨河1號大橋、2號中橋及明姜高架橋），長3013 m，其余為路基段落，長2572 m。K8+900—K11+385段軟基的形成受K9+800左100 m、K10+200左200 m兩處泉水及磨河地表水影響，K12+100—K14+800段受磨河地表水影響，K15+500—K15+900系受藕池周期性放水影響。

1 項目區自然條件[2]

1.1 地形地貌

本項目地貌單元通過按其成因和物質組成，劃分為由沖積（傾斜）平原區、河谷平原區的兩個次一級的地貌單元，同時也為平原區（見圖1）。項目位于臨汾斷陷盆地北部，最低點在磨河河谷，海拔為463 m；最高點在K3+600處，海拔為525 m，相對高差為62 m。

圖1 平原區

1.2 地層巖性

全線結合其工程地質調繪和鉆探，項目區地層主要由沖積、沖洪積物Q4（新生界第四系全新統）、Q3（上更新統）、Q2（中更新統）構成。

1.3 軟基工況

軟基段落地下水平均埋深1～3.0 m，最大埋深6～7.0 m，在地下水長期對土體的浸泡下，土質濕軟松散，第四系晚更新世上Q3（更新統）、Q4（全新統）地層時代河流相沖積物構成。以低液限黏土（粉土、粉質黏土）為主的地層巖性，夾薄層粉細砂及卵礫石層。可塑-流塑狀態的黏性土，具有承載力較低、含水量較高、抗剪強度低、壓縮性較高等特點。項目詳勘階段，針對3段軟基進行了專項勘察，根據勘察成果，主要地層及巖土參數如下：

a）第一層為硬殼層。層厚1.4～3.6 m，由第四系上更新統（Q3）沖積物構成，粉土（低液限黏土）、粉質黏土（低液限黏土）的巖性。粉土（低液限黏土），黃褐色，結構為中密-稍密，狀態為稍濕，約17.5%～17.6%的含水量，承載允許力值135～180 kPa；粉質黏土（低液限黏土），褐黃色，硬塑-可塑狀態，含水量19.0%～23.7%，承載力允許值135～180 kPa。

b）第二層為軟弱層。層厚3.4～17.5 m，由第四系上更新統（Q3）沖積物及中更新統（Q2）沖洪積物構成，為夾薄層粉細砂的粉土、粉質黏土（低液限黏土）巖性。粉土（低液限黏土），黃褐色，結構為中密，約23.4%～25.3%的含水量，130～150 kPa的承載力允許值；粉質黏土（低液限黏土），23.5%～28.8%的含水量，承載力允許值135～180 kPa，狀態為可塑-軟塑，黃褐色。

c）第三層承載力相對較高，揭示厚度5.0～12.5 m，由第四系上更新統（Q3）沖積物及中更新統（Q2）沖洪積物構成，巖性為低液限黏土（粉質黏土），局部夾高液限黏土，淺褐紅、褐黃色，可塑狀態，含水量23.6%～24.9%，承載力允許值200～270 kPa。

特別在春融期或雨季，全線除K1+300—K3+600段以外，其他段落均排水不暢，地下水位升高，最終形成軟弱地基（見圖2）。

圖2 涵洞地基

2 項目工況

本文選取K9+200為典型斷面，地層剖面見圖3。

圖3 地層典型剖面

本處采用設計碎石樁復合地基法對填方軟土地基路段進行加固。碎石樁樁徑0.35 m，樁間距1.5 m，梅花型布置（見圖4），樁長8 m。碎石樁對地基加固完成后至路基填筑施工前的時間段，為監測工作準備期，主要內容為埋設監測元件等。在開始填筑路堤后，通過不間斷跟蹤監測地基土孔隙水壓力值、復合地基樁間土與樁頂壓力值及他們的位移值（水平向）。結合實際情況（此工程現場試驗段的），再次選取監測斷面K9+200，依據填方路基施工進展情況，通過模擬、分析，擬合堆載路堤0～100 d的工況。路堤應通過模擬分級填筑的方式分析，路基填筑歷程如圖5所示。

圖4 樁位平面布置（單位：cm）

圖5 堆載（路基填筑）歷程

3 項目計算及分析

結合本項目試驗段實際工程情況，采用路堤9.2 m設計填高為監測斷面，26 m寬路基頂面，同時邊坡坡率形式為0～8 m對應1∶1.5，8 m以下對應1∶1.75[3]。在此結合軟件midas的平臺，通過三角形單元劃分網格提高精度。固定邊界兩側水平線及模型底部邊界的豎向和水平向，有限元的模型建立見圖6。

圖6 碎石樁數值模型

建立的有限元模型，從上部開始地基土層依次是：①路堤，②碎石墊層，③全新統Q4al+pl，④上更新統Q3，⑤中更新統Q2。通過采用Mohr-Coulomb模型的本構關系對路堤填土及各土層進行模擬。根據勘察資料中所提供的試驗成果，本項目所有涉及到的巖土材料在本次模擬分析中，各自計算參數見表1，樁體參數見表2。

表1 路堤、地基土體的相關物理力學參數

表2 樁的參數表

通過模型計算，各工況對應關鍵點處受力及位移情況為：

a）受力 隨著時間的推移，樁頂處受力與樁間土受力均線型增大，且樁頂受力增幅較大。

b）位移 樁頂因側向擠出水平位移最大，彈性區域水平位移逐漸減小趨于零，塑性潛在滑動破壞面處位移介于零與樁頂位移之間。

圖7 樁頂位置土壓力-時間曲線

圖8 樁間土位置土壓力-時間曲線

圖9 路堤水平位移-深度曲線

計算分析結果見圖7～圖9，獲得了路堤隨填筑過程中有限元計算值變化趨勢與路堤有關實測值（包括樁間土壓力及碎石樁中央樁頂壓力）。我們可以看出在樁頂和樁間土位置，實測結果與有限元計算值的數值大小和變化規律吻合的較好，可以說明此次有限元模型能較好反映其受力情況。

通過分析及對比數值計算結果與實測值的差異，本次有限元模型較好地模擬了軟基高填路堤在分層碾壓回填中受力的變化規律，以后類似工程可以先借鑒數值模擬研究的成果。

4 軟基處置方案分析

通過有限元數值模擬分析，先期沉降量隨著豎向增強體（位于復合地基中）剛度增大而減小。但是復合地基中的增強體剛度不能一味地增大下去，達到一定值時對沉降減低效果就不再明顯了。在其指導下，依托工程采用的樁徑0.35 m，樁間距1.5 m，梅花型布置，樁長8 m方案有效減少了工后沉降，達到了預期處治效果。

5 結論

本文結合高速公路工程，通過采用數值模擬的分析方法，對汾河平原區軟基處理方案進行了數值模擬，施工期間通過對路堤變形進行實測，實測結果與模型模擬結果較為吻合。從而肯定了京昆與青蘭國家高速公路山西境臨汾聯絡線相應段落軟弱地基處治方案：碎石樁樁徑0.35 m，樁間距1.5 m，梅花型布置，樁長8 m的合理性。由此可見，有限元數值模擬分析可以作為軟基處理方案制定時的參考依據。本項目也可為以后類似的工程提供數值模擬及實踐經驗，作為制定方案的參考依據。