深厚軟土路堤變形及地基處理研究

譚 貝

(山西交科公路勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

我國地域廣闊,公路建設中面臨的地質問題較為復雜。軟土在我國部分地區分布較廣,在交通建設快速發展的當下,已經逐步成為工程建設中的重難點問題。

對于大面積軟土地基的路堤建設,常采用跨越式路堤。對于深厚軟土地基的研究,楊宇等[1]對軟土基坑的搶險加固設計進行了研究,明確了原有地質條件和支護結構狀態在加固方案設計中具有關鍵性的作用,采用ESC-H組合支護加固方案能達到良好加固效果,但應特別注意深厚淤泥層的蠕變特性。張玉成等[2]對珠三角深厚軟土地基基坑的支護問題進行了探討,針對淺基坑在設計和施工中的工程事故及5例具體的工程問題進行探討研究,為設計和施工提供了參考依據。梁建文等[3]采用有限元軟件模擬了凹陷地形在基巖上覆深厚軟土的地震響應分析,其研究結果表明,土的非線性特征對地震響應影響顯著,處于凹陷中心的土層地震響應較其他位置大,且振幅越大現象越明顯。劉智等[4]以實際工程為研究對象,通過5種計算方法對深厚軟土路基的工后沉降問題進行了預測,最終得到對數法更加符合工程實測值的結論,為深厚軟土路基的工后沉降控制設計提供了參考。王長丹等[5]對深厚軟土地基中樁板結構的路基沉降和變形進行了離心模型試驗,其研究結果表明,樁板結構的深厚軟土地基處治中,上部結構荷載傳遞到復合地基后由樁和樁間土共同承擔,板下的結構耦合良好,樁長和樁間距兩個參數對路基的沉降有顯著影響。鄧濤等[6]對深厚軟土中的抗滑樁懸臂端的計算方法進行了修正,從理論上進行了推導,通過疊加原理對傳統計算方法中的滑移問題進行了修正,證明修正后的計算方法能更準確地計算抗滑樁彎矩和位移。

由于多方限制因素,公路建設中不可避免地會遇到特殊地基處理問題,特別是跨越深厚的超軟土,是工程處理中的重難點。當路基斷面全部設置在超軟土上,需要對超軟土進行加固處理才能保證路基工程的穩定性。因此文章采用有限元軟件對某實際工況進行模擬研究,探究該工況下路堤的變形和地基加固效果。

1 工程概況

某公路段線路起點與現有國道相接,全長24.3km,線路實施過程中發現有一處由現有池塘地改造成的泥漿池,該泥漿池用于周邊河橋的建筑施工使用。設計線路穿越泥漿池而過,既有泥漿池的長寬分別為300m、285m,面積約8.55×104m2,泥漿池內含水量極高,泥漿層表面上覆蓋有深度不一的水層,泥漿頂標高約5m,底標高約-5.5m。涉及該段的路基段樁號為K5+350.50～K5+600.25,主要是由吹填形成的泥漿池,底部平整性較差。

2 施工方案

針對施工場地情況,考慮到項目實施工期緊張,結合現場地勘單位增補的地質勘察詳細報告,對泥漿池采取如圖1所示的施工方案。

圖1 施工方案圖

圖2 有限元模型

由于泥漿池范圍較廣,在該泥漿范圍內為填方路基段,與現有的國道存在平交口,擬對既有泥漿池進行固化處理,考慮到預應力管樁和水泥攪拌樁造價接近,但預應力管樁的質量控制和成樁受力效果更好,因此在固化泥漿池的基礎上再采用預應力管樁形成復合地基,處理范圍擴展至坡腳外16m,在最外側實施水泥攪拌墻加固,同時采用拋石護腳進行隔離,達到加固處治的目的。

固化泥漿池采用粉劑固化劑,固化劑的控制含量為9.5%,設計固化厚度為3m,固化范圍擴展至路基坡腳外16m。固化劑的主要成分包括水泥、礦渣和穩定劑。固化前應開展室內試驗,針對現場的實際情況做出調整,確保固化效果。

預應力管樁的設計樁長刺入在粉砂層以下不小于4m為宜,可在局部地方做適當調整,確保進入持力層能夠發揮管樁的作用。其管徑為0.8m,樁間距為3m,在坡腳外的范圍可適當增加樁間距,但不得超過3.5m,均采用梅花形布置,在樁頂設置樁帽,其尺寸為1.5m×1.5m×0.4m。樁帽應在固化后的硬殼層下挖進行實施。

在距離坡腳16m處設置水泥攪拌墻,采用排樁形式,其樁長較預應力管樁長1m,確保持力層有效深度不小于4m。位于外側的拋石護腳頂寬為2m,深度為3.5m,坡率為1∶1.5。

具體施工流程為:

(1)施工前在路基擴展16m寬范圍內進行填土處理,先采用填筑土體形成土圍堰并將圍堰內的水抽干,晾曬后進行填土施工,填土高度為2m。

(2)采用區塊性填筑,在需要固化的范圍進行畫塊放樣,形成區域性固化,依次序進行固化。

(3)采用攪拌設備(ALLU)進行就地固化攪拌,由外向內進行攪拌固化處理。

(4)待攪拌完成固化后進行28d的養護。

(5)養護結束后進行預應力管樁施工,樁帽施工應先向下開挖至樁頂后再進行施工,樁頂鋪設40cm碎石墊層后,再施加土工格室和60cm宕渣。

(6)路基填筑高度超過設計標高2m后,采用超載預壓的方式預壓半年,在預壓期間進行定期檢測,沉降每超過20cm時補充填土。

(7)6個月預壓完成后,實施水泥攪拌墻作業,水泥攪拌墻施工完成并養護28d后再進行拋石護腳施工作業,施工中注意對水泥攪拌樁進行保護,避免破壞,切不可提前施工。

3 數值模擬分析

3.1 模型的建立

對于巖土工程地基工況的模擬,重點是對地基土層參數的模擬和本構模型的選擇,以達到模擬效果。Midas GTS NX有限元計算軟件適用于復雜的巖土工程,本構模型能夠良好地適用于泥漿池土層參數在固化過程中的變化。結合實際情況,考慮到地基處理主要為固化土和樁之間的作用,對模型進行簡化處理,采用2D平面應變模型進行模擬計算。模型的地基部分尺寸為60m×24m,固化土深度為3.5m,通過改變模型單元土體的參數來模擬固化后土層強度的變化。地基土的受力變形假定為彈塑性變形,采用摩爾—庫倫本構模型進行模擬,預應力管樁采用彈性本構模型進行模擬。模型的土層自上而下依次為土層1和土層2,其參數參考地勘資料和模型固化后的參數進行調整,網格密度劃分均采用1m。最終的模型和單元參數分別如圖 2和表 1所示。

模型建立后應對原始工況進行重塑,恢復地層重力場,然后再按照施工工藝進行固化處理,固化過程中模擬土層的固結排水過程,積累模型的變形,再施加預應力管樁,填筑路堤,進行路堤的預壓處理,最后進行數據提取和分析。

表1 模型參數表

3.2 計算結果分析

3.2.1路堤沉降分析

對路堤內部的沉降情況進行分析,如圖3所示。

圖3 路堤沉降云圖

由圖3可知路堤填筑后模型的沉降變形情況。路堤頂部中心位置的沉降值最大,為28.7cm,沿土層向下逐漸減小。固化土部分的沉降明顯較未固化部分的沉降小,在預應力管樁和固化土兩部分結構的共同作用下,地基土的沉降呈現以路堤中心為對稱軸向兩側對稱性減小的變化規律,在預應力管樁底端部分的土層沉降值明顯較未施工預應力管樁的土層沉降值大,可見預應力管樁將上部承載的路堤荷載通過固化土的共同作用,傳遞到了地基較深的地層,有效減小上部土層的沉降。

研究地基表面中心點沉降隨時間的變化情況,如圖 4所示。

由圖4可知,地表沉降隨時間變化逐漸增大。在初始階段,地表的沉降速度基本呈直線變化,沉降速率大,隨后沉降的變化速率逐漸降低,時間超過1300d之后,沉降變化速率越發緩慢,沉降量只有最大沉降量的4.7%,說明此時的固結作用已經完成,后期沉降基本不會再改變。地層的固結作用呈現出“前期快、中期緩、后期慢”的變化規律。

圖4 地表沉降隨時間變化情況圖

3.2.2復合地基敏感性分析

(1)樁間距對沉降的影響

采用前述工況,固化厚度為3.5m,預應力管樁的其他參數不變,僅改變樁的間距為2.5m、3m、3.5m時的地表沉降變化情況如圖5所示。

圖5 不同樁間距下地表沉降隨時間的變化規律

由圖5可知,樁間距的變化會對地表沉降造成影響。隨著樁間距的增大,地表沉降也在逐漸增大,但在不同樁間距的工況下,地表沉降都呈現出“前期快、中期緩、后期慢”的變化趨勢,沉降速率逐漸減小。樁間距從2.5m增大到3m時,地表的沉降增大約9.7%;而樁間距從3m增大到3.5m時,地表沉降增大16.3%,可見在同樣的樁間距增大幅度下,地表的沉降變化是有差異的,樁間距越大,對地基穩定性越不利。

(2)固化厚度對沉降的影響

對固化厚度進行分析,在其他條件不變的情況下,分別對2m、3m、4m的固化層厚度進行分析,如圖 6所示。

由圖6可知,在改變固化厚度后,地表沉降隨固化厚度的增大而減小。固化厚度為2m時,地表的沉降量為32cm,固化深度為3m時,地表沉降為26cm,降低了18.7%。固化深度為4m時,地表沉降為23cm,降低了11.5%,可見隨著固化厚度的增加,地表沉降的減小幅度逐步變緩。

圖6 沉降量隨固化土厚度的變化圖

(3)固化層彈性模量對沉降的影響

對固化土的彈性模量變化與地表沉降的關系進行分析,如圖 7所示。

由圖7所示,固化土彈性模量的增大能夠降低地表沉降,但降低的幅度較小,而增大地基固化土的彈性模量在工程實際中并不容易,這也說明地表沉降對彈性模量變化的敏感度比固化土厚度和樁間距的變化更小。

圖7 沉降量隨固化層彈性模量的變化圖

4 結論

文章結合公路工程實際中泥漿池的處理問題,針對泥漿池的既有工況提出對應的施工方案,并對該施工方案進行了數值模擬,通過分析模型中地表沉降的變形特性,得到以下主要結論:

(1)預應力管樁+固化土組成的復合地基處理方案是有效的,固化土能夠將路堤的荷載通過預應力管樁傳遞到地下持力層,使復合地基的沉降得到控制。

(2)地表沉降隨時間變化呈現出“前期快、中期緩、后期慢”遞增變化趨勢,當固結時間超過1300d后,沉降變化很小。

(3)樁間距的增大會使地表沉降增大,地表沉降的增大幅度也隨之增大,不利于地基穩定。

(4)固化土厚度的增加和彈性模量的增加都會降低地表的沉降,但地表沉降的變化對固化土彈性模量的變化敏感性較低。