軟土地層路基工后沉降預(yù)測及控制研究

沈卓恒，阮世強(qiáng)

(1.杭州市運(yùn)河集團(tuán)，浙江 杭州 310006；2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

軟土作為一種特殊性基土，在中國沿海地區(qū)廣泛存在。軟土具有高壓縮性、低滲透性和低強(qiáng)度等不良工程特性，極易引起軟土路基大幅度工后沉降[1]。國內(nèi)外學(xué)者提出了雙曲線法、指數(shù)曲線法、三點法和Asaoka 法等方法預(yù)測軟土路基的最終沉降量。崔凱[2]等人提出了將多種預(yù)測方法結(jié)合的聯(lián)合預(yù)測法，針對不同沉降階段，采取不同方法進(jìn)行預(yù)測，研究結(jié)果表明：聯(lián)合法對預(yù)測擾動較小的軟土路基沉降準(zhǔn)確率較高。謝宇航[3]等人基于S 型單項預(yù)測模型和傳統(tǒng)熵值法組合預(yù)測模型，提出了復(fù)合確權(quán)預(yù)測模型，在一定程度上提高了路基沉降的預(yù)測準(zhǔn)確度。劉維正[4]等人結(jié)合數(shù)值模擬等方法，提出了適合交通荷載下軟土路基長期沉降的實用計算方法。

工程中常采用水泥粉煤灰碎石樁(cement flyash gravel，簡稱為CFG)、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)、樁筏結(jié)構(gòu)、土工格柵加筋層等方法，控制公路或鐵路軟土路基工后沉降[5?6]，也可采用酶石灰等新技術(shù)，加快軟土形成高強(qiáng)度的土質(zhì)基體。既能保證路基的穩(wěn)定性，又能減小路基結(jié)構(gòu)層的厚度[7]。作者以某城市軟土地層上修建的市政道路工后沉降為依托，通過分析該道路典型剖面的路基實測沉降數(shù)據(jù)，擬分別采用數(shù)值模擬方法和Asaoka 法對路基沉降進(jìn)行預(yù)測，并分析不同填土材料對路基最終沉降量的影響，以期為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

某市堤路合一工程，堤防工程為道路的護(hù)岸部分。該市政道路規(guī)劃等級為城市次干路，路線全長11.554 km。該工程一般路基段某典型剖面釘形水泥土雙向攪拌樁橫斷面布置圖，如圖1 所示。該處路面寬40.0 m，路堤填土高4.5 m，地下水位于原始地表處，即標(biāo)高為?4.5 m 處。

場地區(qū)域內(nèi)地層自上而下分布為路堤填土層(埋深0～?4.5 m)，淤泥層(埋深?4.5～?14.0 m)，粉質(zhì)黏土層(埋深?14～?17 m)，淤泥質(zhì)土層(埋深?17～?28 m)，砂質(zhì)黏性土層(埋深?28～?32 m)，全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層(埋深?32～?33 m)。為控制工后沉降，軟土地層采用釘形水泥土雙向攪拌樁加固，空間上采用三角形方式布樁，樁距2.0 m，樁長20.0 m。各樁均采用擴(kuò)大頭樁，樁頂長度4.0 m，內(nèi)樁徑1.0 m，其余部分樁徑0.6 m。

2 數(shù)值模型

2.1 模型及網(wǎng)格劃分

圖1 釘形水泥土雙向攪拌樁橫斷面布置(單位：m)Fig.1 The cross section of nail-shaped cement-soil of bidirectional mixing pile (unit:m)

圖2 模型范圍及網(wǎng)格劃分(單位：m)Fig.2 Model scope and mesh (unit: m)

本研究采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行計算，由于路堤為對稱結(jié)構(gòu)，因此，取右半幅進(jìn)行數(shù)值建模，二維有限元模型如圖2 所示。地層?33 m 標(biāo)高以下為中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，物理力學(xué)性質(zhì)較好，可視為模型邊界。綜合確定模型長(x)、高(y)分別為100 m、33 m，其中路堤部分高4.5 m，路堤邊緣按1∶1.5 進(jìn)行放坡。各巖土層均簡化為均勻土層。

根據(jù)設(shè)計要求，釘形水泥土雙向攪拌樁在沿x方向水平間距為2 m，樁沿縱向設(shè)置間距為1.7 m，樁長均取20 m。攪拌樁頂往下4 m 內(nèi)直徑為1 m，其余部分直徑為0.6 m。樁頂設(shè)置一層土工格柵。

模型網(wǎng)格劃分共生成4 367 單元，36 854 節(jié)點。土體采用15 節(jié)點的三角形單元，對每層土體進(jìn)行較為精細(xì)的單元劃分。在劃分模型網(wǎng)格時，對路堤、坡腳、樁身兩側(cè)土體等區(qū)域的局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，以保證計算分析結(jié)果的精確度。釘形水泥土雙向攪拌樁采用嵌巖樁模型進(jìn)行模擬。經(jīng)編土工格柵采用土工格柵模型進(jìn)行模擬。

模型的邊界為：兩個側(cè)面施加側(cè)向約束，模擬實際情況中，土體邊界只發(fā)生沉降變形，不發(fā)生側(cè)向位移的情況；在模型底面施加固定約束，模擬基巖處實際情況，不發(fā)生側(cè)向位移，也不產(chǎn)生豎向沉降變形。

2.2 模型參數(shù)

1) 土體參數(shù)

淤泥層至砂質(zhì)黏性土層采用修正劍橋模型(MCC 模型)，輕質(zhì)混凝土層、路堤填土層和全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層采用摩爾?庫倫模型(MC 模型)。各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

2) 土工格柵參數(shù)

土工格柵采用土工格柵模型進(jìn)行模擬。

2.3 施工步驟

考慮施工過程中地下水對施工的影響，具體模擬過程為：

1) 在原有土層中激活樁單元；

2) 激活樁頂土工格柵單元；

3) 激活路基填土，并將位移清零；

4) 在排水條件下，固結(jié)至目前階段，并將位移清零；

5) 分別考慮3 種方案。①維持當(dāng)前模型設(shè)置，固結(jié)至沉降穩(wěn)定狀態(tài)。②激活路基頂面普通填土和車輛荷載(參考《公路路基設(shè)計規(guī)范(TGD30?2015)》等效土柱計算方法，車輛荷載取15 kPa)，固結(jié)至沉降穩(wěn)定狀態(tài)。③ 激活路基頂面輕質(zhì)混凝土和車輛荷載，固結(jié)至沉降穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Mechanical behavior of each rocks and soils

3 結(jié)果分析

3.1 工后沉降分析

1) 有限元模擬計算

圖3 地層沉降固結(jié)云圖Fig.3 The cloud map of subsidence and consolidation of stratum

圖4 路面沉降量隨時間變化Fig.4 The settlement of pavement with the variation of time

路基填土完成后，經(jīng)過大約22 a 的沉降固結(jié)，路基最大變形約為95 cm，地層沉降固結(jié)云圖如圖3 所示。路面中心處沉降量隨時間變化如圖4 所示。從圖4 可以看出，模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合較好。工程完工后2 700 d(約7.4 a)，典型剖面路面沉降量為83.86 cm。工后22 a，最終穩(wěn)定沉降量為89.92 cm，差值為6.06 cm，其沉降固結(jié)已完成93.3%。表明：該處路面沉降基本穩(wěn)定，后期沉降較小。

2) Asaoka 法

Asaoka 法為基于沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)最終沉降量的預(yù)測方法[8]。對于n 個具有相同時間間隔的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)組(S1,S2,…,Sn)，將點(Si?1,Si)(i=2,3,…,n)繪于(Si?1,Si)的平面直角坐標(biāo)系中，并用直線線性擬合，擬合直線與直線Si?1=Si相交的點為預(yù)測的最終沉降量。Asaoka 法由于操作簡單，被廣泛應(yīng)用于土體長期變形預(yù)測。

依據(jù)Asaoka 法對典型剖面最終沉降量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖5 所示。初步預(yù)測典型剖面路面的最終沉降值S∞為86.94 cm，與該點最新沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)(83.86 cm)相差3.08 cm，其沉降固結(jié)已完成96.5%。表明：該處路面沉降穩(wěn)定，后期沉降較小。

圖5 典型剖面路面最終沉降量預(yù)測Fig.5 The prediction of final settlement of the pavement in characteristic section

3.2 通車后沉降預(yù)測

該區(qū)段采用普通路基填土材料回填至設(shè)計標(biāo)高，并考慮路面通車后重載交通的影響，再次進(jìn)行計算，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，現(xiàn)有路面沉降基礎(chǔ)上，采用普通路基填土材料回填路面至設(shè)計標(biāo)高，即回填83.86 cm。再考慮15 kPa 車輛荷載后，該區(qū)段工后沉降為27.98 cm，不滿足一般路基工后沉降控制20 cm 內(nèi)的設(shè)計要求。

圖6 路面沉降量隨時間變化圖(普通材料回填)Fig.6 The settlement of pavement with the variation of time(ordinary backfilling material)

3.3 通車后沉降控制

由于采用普通路基填土材料回填至原設(shè)計標(biāo)高，通車后工后沉降不滿足一般路基段路面的設(shè)計要求，需采取措施減小工后沉降。輕質(zhì)混凝土容重小，強(qiáng)度較高，可有效降低路基填土荷載。超長循環(huán)荷載下，抗疲勞特性好[9]，多用于處理特殊路基。因此，本研究擬用輕質(zhì)混凝土回填來控制工后沉降。考慮路面重載交通情況下，僅采用輕質(zhì)混凝土回填至初始設(shè)計標(biāo)高，計算結(jié)果如圖7 所示。從圖7 中可以看出，現(xiàn)有路面沉降基礎(chǔ)上，采用輕質(zhì)混凝土材料回填路面至設(shè)計標(biāo)高，即回填83.86 cm，再考慮15 kPa 車輛荷載后，該區(qū)段工后沉降為18.38 cm，滿足一般路基工后沉降控制20 cm 內(nèi)設(shè)計要求。

3.4 不同方案及工況下路基沉降量

將Asaoka 法、數(shù)值模擬預(yù)測的典型剖面軟土地層路基的工后沉降數(shù)據(jù)匯總，見表2。由表2 可知，相比普通路基填土材料，采用輕質(zhì)混凝土回填路面后路面沉降穩(wěn)定時，路基工后沉降減小幅度可達(dá)34.3%。因此，可以通過填筑輕質(zhì)混凝土來控制軟土地層路基的工后沉降。

圖7 路面沉降量隨時間變化圖(輕質(zhì)材料回填)Fig.7 The settlement of pavement with the variation of time(lightweight backfilling material)

表2 不同方案及工況下路面沉降量Table 2 The settlement of pavement under different schemes and working conditions

4 結(jié)論

1) 典型剖面工后7.4 a 后，路面沉降量為83.86 cm。通過有限元數(shù)值模擬結(jié)果可知，工后22 a 的最終穩(wěn)定沉降量為89.92 cm，與當(dāng)前的沉降量相差6.06 cm，其沉降固結(jié)已完成93.3%。而通過Asaoka法預(yù)測典型剖面路面最終沉降值為86.94 cm，與當(dāng)前沉降量相差3.08 cm，其沉降固結(jié)已完成96.5%。2 種方法預(yù)測結(jié)果均表明：在維持現(xiàn)狀的情況下，該處路面沉降基本穩(wěn)定，后期沉降較小。

2) 現(xiàn)有路面沉降基礎(chǔ)上，采用普通路基填土材料和輕質(zhì)混凝土材料分別將路面回填至設(shè)計標(biāo)高，即回填83.86 cm。再考慮15 kPa 車輛荷載后，該區(qū)段工后沉降分別為27.98,18.38 cm。采用普通路基填土材料回填不滿足一般路基工后沉降控制20 cm內(nèi)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。采用輕質(zhì)混凝土材料相比普通路基填土材料回填路面，工后沉降減小幅度可達(dá)34.3%。因此，當(dāng)軟土地層路基發(fā)生較大工后沉降時，選用合適的材料回填路基(如輕質(zhì)混凝土)，可有效減小通車后路基工后沉降。