軟土場地深厚吹填砂路堤施工室內模型試驗研究

譚衛佳 王海東 劉 勇

(1.南京市市政服務中心，江蘇 南京 210000；2.南京市市政工程質量安全監督站，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

南京市江北濱江大道工程位于梅子州汊道左岸寬廣的長江漫灘上，道路沿線分布著深厚的軟土地層，土體參數如表1所示。工程位置緊鄰長江，斷面呈梯形，兼做長江防洪堤壩，走向基本與長江平行，道路全長約3 km，按雙向四車道設計，路幅寬度42 m，設計速度40 km/h。由于工程地處南京市郊，工程周邊無路基填筑所需的大量土方，經綜合考慮，決定采用吹填砂的方式進行路堤填筑。先在軟土地基上進行水泥土攪拌樁施工(C42.5級普通硅酸鹽水泥)，后采用膜袋充填砂堆砌圍堰，再分層吹填砂碾壓施工至11.0 m高程，吹填砂總厚度約6 m。根據現場的砂源調查和綜合比較，選取距離工程位置約40 km的馬鞍山長江粉細砂作為項目砂源，吹填砂指標如表2所示。

本工程屬于典型的軟土地基深厚吹填砂路堤施工工程，確定出吹填砂施工參數的合理取值對于保證吹填砂安全、高質、高效施工有著重要意義。為此，本文建立試驗模型，在試驗室內模擬了多工況下軟土地基道路路堤吹填砂施工過程，研究了碾壓路徑、靜置時間以及碾壓荷載等因素對深厚吹填砂道路路基樁土應力、孔壓、排水固結以及沉降的影響，確定出軟土基吹填長江砂道路路基施工參數的合理取值，為實際施工提供參考。

2 模型試驗方案設計

2.1 試驗工況設計

表2 吹填砂物理力學參數

主要根據不同的碾壓路線、靜置時間、碾壓荷載的設置設計6個試驗工況如表3所示，測試并分析它們對路基樁土應力、孔壓、排水固結以及沉降的影響。

表3 室內模型試驗工況

2.2 試驗比尺

考慮到本試驗屬于探究性試驗，數學模型方程未知，因此借鑒常規鋼筋混凝土結構靜力試驗模型的相似常數和相似關系。綜合各方面因素考慮，本試驗幾何比尺λL=1/20。

試驗用軟土及吹填砂采用與工程現場相同的材料，因而模型材料的彈性模量與原型一致。相應的，試驗所加荷載以及測點的應變位移只與幾何相似常數有關，其中，由于本試驗不考慮自重對承載性能影響，質量密度關系可不予考慮。

2.3 試驗模型尺寸計算

道路尺寸巨大，但都是由相同的受力單元組成，影響模型尺寸的是實際工程中吹填砂的厚度。實際軟土基厚度考慮為10 000 mm，故模型軟土基厚度尺寸按幾何比尺縮放取500 mm。實際施工吹填砂厚6 000 mm，模型按比例取300 mm。實際工程中水泥土攪拌樁直徑600 mm，長度小于軟土基厚度設為9 000 mm；根據幾何比尺模型樁直徑應取30 mm，長度取450 mm。按正三角形布置在模型箱內，軸心間距為100 mm。模型箱尺寸考慮到軟土基、吹填砂以及富余尺寸，長取1.2 m，寬取1.1 m，高取1 m。

2.4 試驗裝置

本試驗裝置主要由試驗箱、測試系統以及加載工具三部分組成(見圖1)。試驗箱為無蓋五面體，正面為透明有機玻璃，其余面為鋼板(見圖2)。測試系統由位移計、土壓計、孔壓計以及DH3816 靜態應變測試系統構成。

3 試驗數據結果及分析

3.1 碾壓路線

3.1.1土壓力變化及分析

由圖3知，A區(由兩邊向中心碾壓)和B區(由中心向兩邊碾壓)土壓力均隨吹填砂厚度增加而逐漸增大。其中，第三層吹填施工前，A區，B區土壓力曲線基本重合；第三層施工后，A區土壓力逐漸超過B區，經計算，第三層吹填后A區土壓力平均值是B區的1.132倍。

3.1.2孔壓力變化及分析

圖4顯示，A區、B區四個孔壓力計測值總體均遵循“每次吹填后，孔壓力先減少后增大，且上下波動幅度逐漸減小”的變化規律。這主要由于每次吹填初期，砂子含水量大，排水速度較快，孔壓相應減小；靜置一段時間后，孔壓逐漸穩定；后碾壓產生的超靜孔壓力又會導致總孔隙水壓力值上升。其中，A區9075號孔壓計讀數前期雖有一定異常，但其后期變化速率和趨勢卻與9007號保持了高度一致，這可能是由于埋置儀器和吹填不均勻等因素造成的。

結合累計排水量，由中心向兩邊(排水溝所在邊側)碾壓的方式，碾壓在擠密砂土的同時將水分向兩側推擠，更有利于水分的排出，第三層吹填之后B區排水量逐漸超過A區，孔壓消散較快，孔壓值小于A區，但每次碾壓后凈增加值A區，B區相差不大。因此，不同的碾壓路徑對孔壓力變化規律影響較小。

3.1.3沉降量對比分析

圖5表示，B區由中心向兩邊碾壓方式吹填砂層及軟土地基累計沉降值明顯大于A區由兩邊向中心碾壓相應數值。

3.2 靜置時間

3.2.1土壓力變化及分析

由圖6可以看出，C區、D區4個土壓力計讀數總體趨勢相同，土壓力均隨著吹填層數增加而變大，數值上除D區12284可能由于圍堰和填砂厚度不均勻等因素而數值偏大外，其余曲線數值相差不大，將12283和12284數值取均值后與C區吻合較好。這說明，靜置時間長短對土壓力的影響較小。

3.2.2孔壓力變化及分析

由圖7可知，不同靜置時間孔壓力變化總體趨勢均為波動下降。孔壓計9007和9063均位于模型箱內側，排水略不暢，第一層吹填初期孔壓力讀數波動增大；孔壓計9075和9063位于模型箱外側靠近排水口，利于孔隙水的降排，排水初期孔壓力下降明顯；每次碾壓施工也會導致超靜孔壓力產生，相應總的孔壓力會有所波動上升。

3.2.3沉降量對比分析

由圖8可知，吹填后靜置時間對吹填砂及軟土地基的累計沉降影響較小，C區靜置24 h累計沉降值較D區靜置12 h僅高2 mm～3 mm。

4 結論

采用室內模型對江北濱江大道吹填工程進行了多工況的試驗研究，研究了碾壓路徑、靜置時間以及碾壓荷載等因素對深厚吹填砂道路路基樁土應力、孔壓、排水固結以及沉降的影響，確定出軟土地基吹填長江砂道路路堤的合理施工參數，主要結論如下：

1)靜置時間對沉降量和地基應力影響較小，應科學選擇靜置時間，可以縮短施工周期、節約施工費用。根據室內試驗模擬結果，建議在吹填砂上可以行走機械且地表無水分時，即可開始碾壓。

綜上，吹填后靜置時間對吹填砂沉降固結影響作用較小，根據工程施工實際，科學選擇靜置時間，既能保證工程質量，又有利于縮短工期。

2)建議在實際施工過程中，可以優先選擇由外向內的碾壓路線。綜上，由中心向兩邊碾壓路線要優于由中心向兩邊碾壓，更加利于土體中孔隙水的排出和土體的固結。