黃土地區高速公路路基地基加固作用機理與應用模擬研究

王 偉

（中交一公局第一工程有限公司， 北京 102205）

0 引言

我國西部黃土地區高速公路建設過程中的濕陷性問題突出，國內外針對灰土擠密樁進行地基加固處理進行了一系列研究[1-2]，其中具有代表性的有：文獻[3-5]基于擠密樁和DDC 樁加固濕陷性黃土地基進行系統研究，最后得出DDC 樁在處理大厚層濕陷性黃土具有良好的效果，最大處理深度可達20m。文獻[6-10]研究了多種材料形式與施工工藝灰土擠密樁加固濕陷性黃土地基效果，并得出擠密樁的最佳處理深度為小于10m；張勤和武志榮主要針對灰土擠密樁法加固濕陷性黃土地基處理過程中的技術問題和相關機理進行了研究，最后提出相應的措施[11-12]。分析可知，關于濕陷性黃土地區地基加固問題取得了一定成果，但對設計、實施及機理與應用分析等全過程研究的較少，本文將基于此展開全過程研究，研究結果可為濕陷性黃土地區路基加固設計、實施與理論等方面提供依據與參考。

1 黃土地區高速公路及路基土質概況

甘肅定西地區的土質均勻、稍濕-中密狀的黃褐色洪積黃土，天然含水率10%～20%左右，隨著深度呈遞增趨勢，在溝岸邊含水量較低；因其為風積黃土，垂直節理明顯、小孔隙較為發育，常有蝸牛殼和鈣質結合物，其濕陷性明顯。通過現場地質勘查可知：地震動峰值加速度為0.20g，重要性系數和綜合系數分別為1.3 和0.25。

2 濕陷性黃土路基擠密樁加固機理與相關參數確定

為研究對象定西地區高速路基沉降問題，需考慮材料的彈性變形和塑性變形?；邳S土由巖石風化形成，具有疏松、多相、多變等特性；加之，天然土體結構不均勻性、流變性造成的土體完全不同應力狀態；因此，現有材料本構模型均不能全面的、精確的反映天然黃土的特征。本文為解決這一問題，針對定西地區黃土沉降過程擬采用Mohr-Coulomb模型進行研究分析其加固機理，為現場加固方案的設計與實施提供理論依據。

Mohr-Coulomb 模型主要包括：體積模量 和剪切模量 、密度、泊松比、摩擦角、內聚力 等六個參數。其中，參數 和 需在試驗得到的彈性模量E 和泊松比的基礎換算得出：

為使擠密加固前后濕陷性黃土路基本構模型滿足摩爾摩擦定律，將主應力采用滿足摩爾-庫倫屈服條件的屈服函數表示為：

在以上的屈服函數中均含有內摩擦角和內聚力兩個強度參數，則六個屈服函數可將主應力空間表示為一個六棱錐。其中，（1）楊氏模量（是強度參數，加固前后的路基土體加載時，采用強度割線50%處的模量；（2）泊松比：研究黃土地區路基土體加固時，取值在0.3～0.4 范圍；（3）黏聚力用于體現路基土體強度；（4）內摩擦角：在內摩擦角較大時，內摩擦角與塑性計算量成正比，且內摩擦角對抗剪強度的影響比較大。

3 路基灰土擠密樁設計與實施

3.1 方案設計

基于該地區的土質情況與高速公路設計運營等級，擬采用梅花形布置，長度為6000mm、間距為1200mm 的Φ400mm 灰土擠密樁進行地基加固，處理后承載力值不低于200kPa。

3.2 現場實施

（1）前期準備：需將現場使用的石灰消解并達標，需嚴格控制下承層的相關指標(如：表面平整、標高、壓實度、起拱等指標)，并其表面進行酒水潤濕；（2）嚴控含水量：如遇高溫暴曬，必須灑水措施；（3）石灰的撒布和翻拌直接決定著改良土路基的壓實質量和強度，根據現場試驗段的鋪筑效果確定選取撒布機均勻撒布石灰后采用穩定土路拌機翻拌法配合壓路機壓實的路基方法。其中：首次翻拌至距底部2～3cm，以消除下沉的石灰夾層；后期每次要拌和到底，使上下兩層充分結合；翻拌兩遍后，如含水量滿足要求，無明顯的花面、灰塊或“窩或帶”等現象即可；否則需要進一步翻拌、灑水等處理，直至達標；（4）樁基加固施工前，首先要對現場進行清表、整平或灑水碾壓等措施；（5）采用100～300kg、靜壓力不小于20kPa 的夯錘夯實成樁。

4 路基灰土擠密樁應用分析

灰土樁擠密法成孔時，樁體致使樁周圍土體擠密而改善其力學指標，如：壓縮比減小、密實度增大；灰土擠密樁加固后的濕陷性黃土復合地基的下部應力擴散有所加快。

4.1 約束條件的確定

為研究濕陷性黃土路基加固前后的力學特性，主要圍繞路基堆載過程中的地基沉降；研究路基加固前后在Z 方向上的位移以及應力變化，則在模型的底部進行X、Y、Z 方向的約束、四周施加X、Y 方向約束。

4.2 最大主應力（見圖1、圖2）

4.2.1 縱向分布特征

加固處理后的濕陷性黃土路基最大主應力σmax分布明顯不均勻：（1）樁體與樁間的應力呈“縱向條狀”橫向相間特征、且差異明顯；（2）下臥層的主應力較加固前沿深度方向均有所增大、且呈鋸齒狀分布，但影響逐漸減弱，最終變化與分布趨勢與天然應力場一致。

4.2.2 橫向分布特征

根據理論模擬結果可知：（1）復合地基橫向分布的最大主應力與原狀土相比，在樁區兩側、邊界處和下部應力突變明顯(下部最為明顯）；（2）下臥層最大主應力沿著豎向逐漸減弱。

4.3 最小主應力

最小主應力的變化方面，加固前后地基的整體變化較?。痪唧w通過分析圖3 和4 可知：

4.3.1 縱向分布特征

在地基內部，復合地基的最小主應力分布均勻且有所提高，與最大主應力分布特征類似，但鋸齒狀應力分布區域不明顯。

4.3.2 橫向分布特征

與最大主應力的橫向分布特征類似，均在與原狀土接觸的邊界位置發生應力突變，但變化較小。

4.4 協調變形

分析可知：（1）加固處理后復合地基的變形特征與應力場不同；（2）處理后的地基變形是均勻、連續的；（3）處理后地基呈現垂直條帶狀相間連續變化分布，而路中心較外側坡腳的變形稍大。

5 結束語

本文通過對甘肅地區濕陷性黃土高速路基作用加固機理進行研究，進一步提出相應的加固設計方案和現場實施步驟，最后借助數值模擬分析方法，對加固前后黃土高速路基的最大、最小應力和協調變形特性進行研究，得到如下結論：

（1）基于甘肅地區濕陷性黃土特點，對路基擠密樁加固機理及相關參數進行分析與確定，為加固方案設計與實施、理論模擬研究提供依據。

（2）灰土擠密樁復合地基中樁體與樁間的應力差異明顯，在加固區域的最大、最小主應力均呈“縱向條狀”橫向相間的連續變化特征。

（3）濕陷性黃土地基加固后的沉降變形是均勻連續的，區別于應力場分布規律；加固后沉降變形有明顯的減小。

（4）擠密樁復合地基的處理區內變形是均勻的，即樁體與樁間土體的變形是同步的。