基于拋石擠淤加固機理的軟土路基變形特性及影響因素研究

劉洋銘,朱海華,唐國林,張亮峰,劉意楠

(廣西路建工程集團有限公司,廣西 南寧 530001)

0 引言

我國東部沿海地區分布著大量含有淤泥質土的軟土,其具有含水率高、孔隙大、滲透性低及抗剪能力弱等特點,這導致路基施工難度較大。為了保證工程施工和后續運營的安全,需要對軟土地基進行嚴格處理。拋石擠淤法是處理軟土地基最常用的方式之一,其原理簡單,用拋石體將淤泥質擠出置換,改變軟土地基的力學性質,施工工藝簡單,得到了廣泛的應用[1-2]。近年來,國內學者對此進行了大量研究,高迎伏等[3]等采用拋石擠淤法對某沿海高速路基進行了處理并基于現場試驗對處理效果進行了評價。顧衛星、孟博等[4-5]采用Midas GTS有限元軟件對遼寧某高速公路軟土路基拋石擠淤進行了模擬研究,得出路基沉降量隨拋石深度的增加而減小。張濤、賈海宗等[6-7]對拋石擠淤施工的優缺點、適用范圍及控制措施進行了研究。本文以某公路路基工程采用拋石擠淤法處理軟土路基為例,采用PLAXIS有限軟件進行建模分析,重點分析了拋石擠淤處理地基后路基的沉降量、水平位移及孔隙水壓力的變化規律,并探討了拋石體厚度、模量及寬度對路基沉降量的影響,以期為軟土路基處理的設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

本文以某公路路基工程采用拋石擠淤法處理軟土路基為例進行研究。該軟土路基寬度設計值為30 m,路基設計高度為2 m,路基邊坡坡度為1∶1.5,下部地層主要為淤泥質土及粉質黏土,淤泥質土層厚度約為10 m,粉質黏土層厚度約為10 m。拋石擠淤法處理軟土路基后拋石擠淤體厚度為2 m,拋石擠淤體寬度為40 m。

2 數值建模

如圖1所示,根據某拋石擠淤法處理軟土路基工程參數,利用有限元軟件PLAXIS建立數值模型圖。根據對稱性原則取路基寬度的一半進行研究,上部邊界為實際工況,下部邊界為約束位移邊界且透水,左側及右側邊界為約束水平位移邊界且不透水。為盡量消除邊界條件的影響,選取地基深度為20 m。模擬計算過程中各地層力學計算均采用摩爾-庫侖準則。表1為各層土體的物理力學參數表。

表1 土體的物理力學參數表

圖1 數值模型圖

3 數值結果分析

3.1 拋石擠淤處理后路基沉降分析

圖2為原始未處理路基及拋石處理地基路基各點總沉降量及工后沉降量的對比曲線圖。由圖2可以看出,拋石處理淤泥地基后路基各點的總沉降量及工后沉降量相對于原始未處理路基各點的沉降量均明顯減小,路基中心部位沉降量最大,隨著離路基中心距離的增加,沉降量逐漸減小。原始未處理地基最大總沉降量為195.2 mm,拋石擠淤處理后最大總沉降量為164.8 mm,最大總沉降量減小了30.4 mm。原始未處理地基最大工后沉降量為37.4 mm,拋石擠淤處理后最大工后沉降量為20.7 mm,最大工后沉降量減小了16.7 mm。由此可以看出外部荷載相同時,拋石擠淤處理地基對于抑制路基沉降效果顯著,這主要是因為拋石擠淤體置換了部分淤泥質土后地基的復合模量增加。

圖2 原始地基與拋石處理地基路基沉降量對比曲線圖

3.2 拋石擠淤處理后路基水平位移分析

圖3為原始未處理地基及拋石處理地基各點水平位移隨深度的變化關系對比曲線圖。由圖3可以看出,原始未處理地基及拋石處理淤泥地基后各點水平位移隨深度的增加均呈現先增大后減小的規律。在地基淺部,拋石擠淤處理后的水平位移相對于原始未處理地基的水平位移明顯減小。原始未處理地基的初始水平位移為44.8 mm,拋石擠淤處理后的初始水平位移為16.4 mm,拋石處理后初始水平位移減小了28.4 mm,說明拋石擠淤處理可以很好地抑制地基淺部位移的發展。這主要是因為拋石體模量大、塊體間摩擦力高。此外,隨著深度的增加,拋石擠淤處理對水平位移的抑制作用逐漸減弱,并且在地基深處,拋石擠淤處理后的水平位移略大于原始未處理地基的水平位移。這主要是應力擴散作用造成的,高模量拋石體相對于淤泥質土具有較高的承載力,可以將應力傳遞至地基深處。

圖3 原始地基與拋石處理地基地層水平位移對比曲線圖

3.3 拋石擠淤處理后路基孔隙水壓力分析

圖4為原始未處理地基及拋石處理地基地下2 m及地下5 m孔隙水壓力隨時間的變化關系對比曲線圖。由圖4可以看出,在前期預壓作用下,孔隙水壓力先快速上升。預壓結束后孔隙水壓力隨時間逐漸減小。預壓后,拋石擠淤處理后孔隙水壓力在前期及中期顯著下降,說明拋石擠淤體具有較好的排水效果,可以加快孔隙水壓力的消散,提高地基的承載力。這主要由于拋石擠淤塊體相對于淤泥質土間隙較大,滲透性較好,模量高,可以形成良好的排水通道,向深部傳遞更大的擠壓作用。

圖4 原始地基與拋石處理地基孔隙水壓力對比曲線圖

3.4 拋石參數對路基沉降的影響

3.4.1 拋石厚度對路基沉降的影響

圖5為拋石處理厚度分別為2 m、3 m及4 m時路基各點沉降量的變化關系曲線圖。由圖5可以看出,隨著拋石體厚度的增加,路基沉降量顯著減小。當拋石體厚度為2 m時,路基最大沉降量為164.8 mm;當拋石體厚度為3 m時,路基最大沉降量為144.3 mm,相對于拋石體厚度為2 m時路基沉降量減小了20.5 mm;當拋石體厚度為4 m時,路基最大沉降量為122.4 mm,相對于拋石體厚度為2 m時路基沉降量減小了42.4 mm。這說明拋石體厚度越大,路基的處理效果越好,這主要是由于高模量的拋石體具有較好的承載力。因此,在工程實際應用中應盡可能增大拋石擠淤置換的深度。

圖5 拋石厚度與路基沉降量的關系曲線圖

3.4.2 拋石模量對路基沉降的影響

圖6為拋石模量分別為30 MPa、40 MPa及50 MPa時路基各點沉降量的變化關系曲線圖。由圖6可以看出,隨著拋石體模量的增加路基沉降量略有減小,但減小幅度并不明顯,說明拋石模量的變化對路基沉降量的影響不大。這主要是由于拋石體模量相較于淤泥質土及路基土更高,在普通工程荷載作用下,拋石體本身變形量較小,自身模量已滿足加強地基及應力傳遞的作用。

圖6 拋石模量與路基沉降量的關系曲線圖

3.4.3 拋石寬度對路基沉降的影響

圖7為拋石寬度分別為0 m、2 m及4 m時路基各點沉降量的變化關系曲線圖。由圖7可以看出,隨著拋石寬度的增加路基沉降量略有減小,但減小幅度并不明顯,亦說明拋石寬度的變化對路基沉降量的影響不大,工程施工時拋石寬度僅需滿足施工作業即可。

圖7 拋石寬度與路基沉降量的關系曲線圖

4 結語

本文以某公路路基工程采用拋石擠淤法處理軟土路基為例,采用PLAXIS有限軟件進行建模分析,重點分析了拋石擠淤處理地基后路基的沉降量、水平位移及孔隙水壓力的變化規律,并探討了拋石體厚度、模量及寬度對路基沉降量的影響。得出的結論如下:

(1)拋石處理淤泥地基后路基各點的總沉降量及工后沉降量相對于原始未處理路基各點的沉降量均明顯減小,拋石擠淤處理地基對抑制路基沉降具有較好的效果。

(2)在地基淺部拋石擠淤處理后的水平位移相對于原始未處理地基的水平位移明顯減小,在地基深處拋石擠淤處理后的水平位移略大于原始未處理地基的水平位移,拋石擠淤處理可以很好地抑制地基淺部位移的發展。

(3)拋石擠淤處理后孔隙水壓力在前期及中期顯著下降,拋石擠淤體具有較好的排水效果,可以加快孔隙水壓力的消散,提高地基的承載力。

(4)隨著拋石體厚度的增加路基沉降量顯著減小,拋石體厚度越大路基的處理效果越好;隨著拋石體模量、寬度的增加路基沉降量略有減小,但減小幅度并不明顯,拋石模量、寬度對路基沉降量的影響不大。