交通荷載下的軟土復合地基道路工程性狀研究

劉 彬

（中鐵十八局集團 第四工程有限公司，天津 300350）

軟土主要由黏土顆粒和粉土顆粒組成，這些顆粒表面帶有負電，對周圍介質的水和陽離子具有極強的吸附作用，造成其具有高含水量的特性。軟土滲透系數通常為1×10-8～1×10-10m/s，在受到荷載作用時，其固結時間較長，且壓縮系數較大（約為0.5～1.5 MPa-1），軟土孔隙比大于1.0，導致公路工程軟土復合地基在施工完成后產生較大的固結沉降。在疊加動態作用下的交通荷載時，路基產生不均勻沉降，道路結構出現裂縫和錯臺等問題影響道路的使用性能和服役時間［1-2］。因此，系統地研究交通荷載下的軟土復合地基道路工程性狀具有十分重要的現實意義［3］。

戴天毅等［4］采用微元體靜力平衡原理，推導出了路堤荷載作用下剛性軟土復合地基的沉降計算公式；李良勇等［5］采用室內試驗的方法研究了加筋碎石軟土復合地基的承載性能和變形性狀，研究結果表明，排水條件對軟土復合地基樁體的變形和穩定性影響明顯，排水條件可以有效降低樁體的彎曲變形；徐林榮等［6］針對上海地區典型飽和軟黏土，引入軟化指數極限值，建立了軟土累積塑性應變模型，用于計算運營期內車輛荷載引起的軟土復合地基沉降。

本文結合武夷新區快速通道道路工程實際工程案例，運用動態彈塑性有限元程序，建立包含土體壓縮和固結效應的有限元模型，考慮材料的彈塑性行為、應力應變關系以及時間依賴性等因素，分析軟土的累積塑性應變和軟土復合地基的沉降變化特征。

1 工程概況

武夷新區快速通道路線全長5.129 km，主線路基長度約為4.209 km，設計為雙向6 車道，路基寬度為42 m（中間預留14 m 作為軌道交通建設），設計速度為80 km/h，道路路面采用瀝青混凝土結構形式，其中，碎石基層厚度為0.40 m，瀝青混凝土路面厚度為0.30 m。施工區域軟土主要為軟～流塑狀①-3淤泥質黏土、軟塑狀②淤泥質粉質黏土和軟～可塑狀③淤泥質粉質黏土，場區巖土工程地質條件見表1，各軟土層主要物理力學參數見表2。

表1 場區巖土工程地質條件

表2 各軟土層的物理力學參數

在施工過程中，軟土復合地基采用雙向粉噴樁處理，軟基處理路段約2.234 km，攪拌樁總量約為36×104m3，設計樁長為10 m，樁間距為1.1 m 的雙向粉噴攪拌樁成樁時間為28 d，樁間距為1.2 m 的雙向粉噴攪拌樁成樁時間為90 d。樁體呈梅花形布置，樁頭上部鋪設0.8 m 厚的碎石墊層和雙層鋼塑格柵。

2 交通荷載作用下軟土復合地基性狀變形分析方法

為了研究交通荷載作用下軟土復合地基的性狀，運用動態彈塑性有限元軟件進行計算，計算流程如圖1 所示。計算時考慮孔隙水壓力的影響，交通荷載作用下軟土復合地基孔隙水壓力模型和軟化模型見式（1）和式（2）。

圖1 動態彈塑性有限元程序計算過程

其中，rc為循環應力比，rt為循環應力比閾值，m 為軟基處 理置換 率，a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3和b4為待定常數。

其中：T 為軟化參數，σ3為圍壓，pa為大氣壓力。交通荷載采用勻速移動的荷載模型，其為時間、速度和汽車軸重的耦合函數，計算公式［8］為

式中：F（t）為交通荷載；P 為汽車軸重，本研究取車輛標準軸荷為100 kN，輪胎標準靜內壓為0.7 MPa；δ（xvt）為汽車運動函數，x 為距離，t 為時間，v 為汽車行駛速度。

結合路基的結構設計和地層結構，計算時地層參數取值見表2。瀝青混凝土路面的彈性模量取1.3×103MPa，泊松比取0.167，密度為2 450 kg/m3；碎石基層的彈性模量為400 MPa，泊松比為0.20，密度為2 360 kg/m3；處理后軟土復合地基的彈性模量為40 MPa，泊松比為0.30，密度為1 900 kg/m3；碎石墊層的泊松比為0.30，彈性模量為50 MPa，密度為2 000 kg/m3。道路面層和基層均符合彈性本構模型，在交通荷載作用下符合彈塑性小變形假設，而各土層符合摩爾-庫倫本構，道路結構各層和土體均符合變形連續性假定，在未受到交通荷載時，土體的初始孔壓力為零，而受到交通荷載后土體彈性模量不會發生改變，土體產生的變形連續不會發生相對滑動。軟土復合地基的數值計算模型如圖2 所示。

圖2 軟土復合地基的數值計算模型

3 存在交通荷載時軟土復合地基的變形特征

3.1 軟土的累積塑性變形特征

為了研究軟土在交通荷載下的變形工作性能，計算時將軟土復合地基中軟～流塑狀①-3淤泥質黏土的彈性模量設置成3 種不同的計算工況，分別為：工況A 條件下的壓縮模量為2.8 MPa，工況B 條件下的壓縮模量為5.0 MPa，工況C 條件下的壓縮模量為10.0 MPa。交通荷載循環加載次數設置為10 000 次。

交通荷載作用時不同工況下軟土的累積塑性應變計算結果如圖3 所示。從圖3 中可以看出：隨著交通荷載循環加載次數的增加，不同壓縮模量工況的軟土累積塑性應變變化規律基本一致，均呈現非線性增加，并呈現不斷收斂的趨勢。交通荷載對軟土復合地基中的軟土不斷壓縮，導致其發生塑性應變的增加，同時，軟土的固結速率和排水速率也不斷增加，在循環次數增加至一定程度后，軟土塑性應變累積的速率放緩；在相同的交通荷載循環加載次數條件下，隨著軟土壓縮模量的不斷增加，軟土的累積塑性應變不斷減小，且當軟土壓縮模量由2.8 MPa 增加至5.0 MPa 時，累積塑性應變的降幅明顯大于當軟土壓縮模量由5.0 MPa 增加至10.0 MPa 時累積塑性應變的降幅。增加軟土的壓縮模量在一定程度上可以改善土體的抗變形能力，但這種變形的改善效應具有一定的限度。在交通荷載循環荷載加載次數達到10 000 次時，工況A 條件下的軟土累積塑性應變收斂于3.57%，工況B 條件下的軟土累積塑性應變收斂于2.74%，工況C 條件下的軟土累積塑性應變收斂于2.64%。

圖3 交通荷載作用下軟土的累積塑性應變

3.2 軟土復合地基的累積沉降變化特征

軟土復合地基在交通荷載作用下的累積沉降變化情況如圖4 所示。由圖4 可知：當交通荷載循環加載次數不斷增加時，地基的累積沉降曲線呈現反“S”形變化規律：當加載次數小于10 次時，軟土復合地基的累積沉降呈線性增加，且其增長速率較小，當加載次數在10～1 000 次時為交通荷載的動力效應作用過程，地基的沉降速率大大增加；當加載次數大于1 000 次后，地基的累積沉降趨于收斂。

圖4 軟土復合地基在交通荷載作用下的累積沉降變化過程

4 結論

本文以武夷新區快速通道工程軟土復合地基處理段為研究對象，運用動態彈塑性有限元軟件模擬軟土復合地基在交通荷載作用下的變形過程，分析軟土的累積塑性應變和地基的沉降變化特征，得到結論如下。

（1）隨著交通荷載循環加載次數的增加，不同壓縮模量工況的軟土累積塑性應變變化規律基本一致，均呈現非線性增加，并呈現不斷收斂的趨勢；在相同的交通荷載循環加載次數條件下，隨著軟土壓縮模量的不斷增加，軟土的累積塑性應變不斷減小。

（2）隨著交通荷載循環加載次數的不斷增加，地基的累積沉降曲線呈現反“S”形變化規律，當加載次數大于1 000 次后，地基的累積沉降趨于收斂。