軟土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)及地基處理方法應(yīng)用研究

楊景旭

（中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司廣州分公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

軟土是公路路基填筑施工中采取的主要材料，其具備壓縮系數(shù)大、孔隙比及含水率高、穩(wěn)定性差等缺陷。軟土路基在長(zhǎng)周期運(yùn)行情況下，車輛荷載、外界復(fù)雜環(huán)境均會(huì)導(dǎo)致路基產(chǎn)生較大變形，繼而引發(fā)路基邊坡失穩(wěn)滑塌、路面結(jié)構(gòu)沉陷及破損。軟土路基處理需要充分結(jié)合工程所處地質(zhì)、水文、氣候等環(huán)境，在滿足施工經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，確保軟土路基沉降滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)合理地開展軟土路基設(shè)計(jì)及加固是確保公路項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

1 軟土地區(qū)路基加固方法

1.1 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法作為軟土路基常用加固方法（如圖1所示），主要包括排水系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)。排水系統(tǒng)可分為塑料排水、袋裝砂井排水兩種形式，加壓系統(tǒng)則是通過填方路基逐級(jí)自重加載或外力加載等方式進(jìn)行軟土路基加壓處理，加壓系統(tǒng)能夠加快軟土路基內(nèi)部水分的排出，加壓導(dǎo)致的額外附加應(yīng)力也會(huì)造成超孔隙水壓力，水分排出階段軟土顆粒則會(huì)不斷固結(jié)，形成一定強(qiáng)度[1]。一般高填方路基通過自身的逐級(jí)填土荷載就能夠?qū)崿F(xiàn)排水固結(jié)效果，軟土地基土層或者低填方路基則可以采取堆載預(yù)壓形式來促進(jìn)固結(jié)沉降，提升強(qiáng)度。

圖1 排水固結(jié)法

1.2 強(qiáng)夯法

軟土地基采取強(qiáng)夯法加固具備3～6 m的處理深度，強(qiáng)夯法施工技術(shù)極為簡(jiǎn)單，主要采用吊重設(shè)備進(jìn)行一定高度的自由下落，提升軟土地基的承載強(qiáng)度。強(qiáng)夯法應(yīng)用中需要重點(diǎn)控制噪聲污染，施工場(chǎng)地周圍存在村莊或建筑物時(shí)，則需要采取隔振、除噪等措施[2]。

1.3 土工織物加固

軟土路基中可以埋設(shè)拉筋、土工織物、土工格柵等材料，形成一體化的土工加固復(fù)合土體。加筋材料對(duì)軟土路基強(qiáng)度穩(wěn)定性、變形控制等方面具有明顯效果、土工材料需要布置在軟土路基應(yīng)力相對(duì)集中位置，土工材料和軟土之間的摩擦力促使加筋體產(chǎn)生拉力，避免軟土受拉破壞。土工材料鋪設(shè)不能對(duì)軟土內(nèi)部的空隙水產(chǎn)生影響，孔隙水壓力的消散還需要結(jié)合其他處理措施，如豎向排水固結(jié)法等[3]。

1.4 水泥攪拌樁法

水泥攪拌樁法則是將水泥等膠凝材料和軟土地基進(jìn)行攪拌，通過一系列物理化學(xué)作用而形成結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定密實(shí)的樁土復(fù)合物，施工示意圖如圖2所示。水泥攪拌樁法能夠充分提升軟土密實(shí)度，加強(qiáng)其承載強(qiáng)度，減小軟土沉降變形。水泥攪拌樁法施工便利，加固效果良好，但是需要消耗大量水泥，具備施工造價(jià)高的缺點(diǎn)。水泥攪拌樁法適用于淤泥質(zhì)土、含水量豐富的黏性土及粉土等地基。

圖2 水泥攪拌樁法施工示意圖

2 工程概況

廣東省某城市快速路設(shè)計(jì)為Ⅱ級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路線設(shè)計(jì)全長(zhǎng)5 km，起終點(diǎn)樁號(hào)K0+000～K5+000，雙向四車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，路面設(shè)計(jì)寬度16 m，沿線存在大范圍分布的軟土材料，地表里程在2.5～8.6 m之間，該項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)城市交通流往外擴(kuò)散的重要通道。經(jīng)勘察單位現(xiàn)場(chǎng)勘察可知，沿線地層巖性主要包括雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土，軟土埋深達(dá)到10～15 m，且路基設(shè)計(jì)主要為填方路基，現(xiàn)場(chǎng)擬選取軟土材料進(jìn)行填筑施工。軟土路堤施工中需要對(duì)軟土變形沉降進(jìn)行分析，并且及時(shí)采取針對(duì)性加固措施，避免后續(xù)通車造成較大的不均勻沉降，引發(fā)交通安全事故。設(shè)計(jì)單位綜合實(shí)際環(huán)境和施工技術(shù)要求，采取水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵方式進(jìn)行軟土路基的加固處理[4]。

3 路基方案設(shè)計(jì)

依據(jù)該公路項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)進(jìn)度和周圍地質(zhì)、地形環(huán)境，設(shè)計(jì)單位選取公路里程K3+500作為典型斷面來開展ABAQUS 2d有限元加固效果分析。K3+500處斷面軟土路基填筑高度為5 m，軟土填筑邊坡坡率為1∶1.5，路基底部寬度則達(dá)到了31 m。軟土填筑主要采用分層分階段施工，共分為5層施工，每層填筑高度為1m；路基頂部路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：上面層厚度4 cm（AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土）+下面層6 cm（AC-20粗粒式瀝青混凝土）+18 cm基層（5%水穩(wěn)碎石）+25 cm底基層（5%水穩(wěn)碎石）。路面結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)如表1所示。軟土路基填筑前期，需要對(duì)地基表面的雜填土進(jìn)行挖除，并且鋪設(shè)一層厚度為50 cm的砂墊層，路基底部-0.5 m處構(gòu)建首層土工格柵，路基底部位置施工第二層土工格柵。墊層以下軟土地基中需要施工水泥攪拌樁，水泥攪拌樁布置樁間距為1.5 m，樁直徑0.5 m，樁長(zhǎng)9 m。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 有限元分析

4.1 模型構(gòu)建

軟土路基ABAQUS 2d有限元模型構(gòu)建中，需要設(shè)定地基影響深度、寬度分別為30 m、120 m，有助于減小邊界效應(yīng)對(duì)軟土路基應(yīng)力、位移的影響。有限元模型中土體本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，面材料采取線彈性設(shè)置。模型邊界設(shè)定中需要固定垂直向、水平向位移，不考慮軟土中水的影響，且邊界不透水。有限元模型構(gòu)建如圖3所示[5]，采取四邊形2維網(wǎng)格單元，模型單元數(shù)為9 862個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 861個(gè)，單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量相對(duì)均勻。軟土路基填筑及上部路面結(jié)構(gòu)層施工模擬階段，路基填筑需要分別考慮填料固結(jié)、地基固結(jié)分析，進(jìn)行單層2個(gè)固結(jié)分析步的設(shè)置，最后則要開展軟土路基15年工后沉降分析。

圖3 有限元建模示意圖

4.2 材料參數(shù)

模型中砂墊層厚度50 cm，模量50 MPa，泊松比0.34，容重19.8 kN/m3，滲透系數(shù)則為8 m/d；土工格柵張拉模量3 850 MPa/m，泊松比0.24；水泥攪拌樁彈性模量120 MPa，泊松比0.21；不同土層的物理技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 土層物理參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 沉降分析

設(shè)計(jì)單位主要對(duì)水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵方式復(fù)合加固效果進(jìn)行對(duì)比分析。該計(jì)算模型為兩側(cè)對(duì)稱，項(xiàng)目選取路基頂部路面結(jié)構(gòu)作為沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，主要對(duì)左半幅軟土路基斷面進(jìn)行不均勻沉降對(duì)比。圖4為軟土路基加固前后15年工后沉降對(duì)比分析圖。結(jié)果表明，水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵復(fù)合加固形式能夠顯著減小路基頂部不同區(qū)域的沉降變形，最大豎向變形出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)中心線處，且沉降變形隨著距中心線越遠(yuǎn)呈不斷減小的發(fā)展趨勢(shì)[6]；未加固下，15年工后沉降最大值為23.5 cm，加固后則僅為6.2 cm，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

圖4 處理前后路基沉降計(jì)算對(duì)比

4.3.2 水平變形分析

項(xiàng)目開展軟土路基不利位置的水平位移對(duì)比分析，主要選取路基底部作為控制點(diǎn)位，加固前后15年工后變形如圖5所示。結(jié)果表明，水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵復(fù)合加固形式能顯著減小路基底部水平位移發(fā)展；未加固下的15年工后水平位移最大達(dá)到6 cm，加固后則僅為1.6 cm。路基整體性得到了明顯優(yōu)化。

圖5 處理前后路基水平變形計(jì)算對(duì)比

4.3.3 豎向應(yīng)力分布

通過應(yīng)力云圖的對(duì)比可知軟土路基加固前后的豎向應(yīng)力分布狀態(tài)差異性較大。其中，未加固前的路基應(yīng)力主要分布在軟土地基中，而加固處理后的豎向應(yīng)力則主要集中于水泥攪拌樁施加位置處，由此可見，加固促使應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了重分布[7]。且未加固前的路基最大壓應(yīng)力達(dá)到198 kPa，而加固后的路基最大壓應(yīng)力則為151 kPa。考慮到路基沉降變形是由路基中應(yīng)力造成的軟土壓縮，加固后的復(fù)合路基能夠良好地控制工后沉降。

5 總結(jié)

隨著公路工程建設(shè)速度和規(guī)模的不斷擴(kuò)展，公路建設(shè)面臨的地形、地質(zhì)等環(huán)境也愈發(fā)復(fù)雜。軟土路基作為公路工程常見疑難性結(jié)構(gòu)，其具備強(qiáng)度低、穩(wěn)定性不足、變形系數(shù)大等特點(diǎn)。路基施工中采取軟土材料進(jìn)行填筑時(shí)，則需要對(duì)路基不均勻沉降進(jìn)行分析，及時(shí)采取路基加固措施，避免工后沉降的增大。公路軟土路基加固處理是項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。軟土路基處治需要結(jié)合工程建設(shè)環(huán)境、施工技術(shù)經(jīng)濟(jì)等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行開展，該文針對(duì)廣東省某快速路路基工程，采用水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵的加固形式，并且進(jìn)行路基斷面的變形分析。結(jié)果表明，加固方式能夠加大改善軟土路基的側(cè)向變形和豎向沉降，軟土路基15年工后沉降最大值出現(xiàn)在路基中心線處，其值為6.2 cm；路基邊坡坡腳位置存在最大水平位移，為1.6 cm，路基整體穩(wěn)定性得到了改善，該文所作研究能夠?yàn)轭愃祈?xiàng)目提供理論參考。