高速公路軟土地基施工技術及穩定性實測研究

唐彬凱

摘要 基于軟土地基對高速公路建設與使用的危害，以某高速公路工程為例，通過工程基本情況的簡單介紹，根據工程地質條件特點，選擇最終的軟土地基加固方案，即強夯碎石墩加固方案。通過有限元模擬分析與案例分析的方式，驗證了強夯碎石墩加固方案的應用效果。結果表明，K47+575～K48+314樁號段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范圍內，沉降量在15.47～83.24 mm范圍內，均在規定要求范圍內。通過強夯置換碎石墩加固方案的應用，顯著提高了軟土地基的穩定性，有利于降低高速公路路基的沉降量。

關鍵詞 高速公路；地基施工；穩定性；地基加固；強夯碎石墩

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0150-03

0 引言

現代工程領域存在多種軟土地基加固技術，如強夯法、強夯碎石墩法、換填法等，每種方法具有不同特點，適用于不同的場所。高速公路軟土地基處理時，應根據施工現場地質條件，結合相關規定要求、施工技術水平等多種因素選擇最佳的軟土地基加固處理技術，為高速公路后續安全使用提供支持。為此，該文介紹一種基于有限元分析的高速公路軟土地基加固方案選擇方法，對提升現代高速公路軟土地基加固效果具有重要意義。

1 工程概況

1.1 基本情況

以某高速公路建設工程為例，介紹一種基于有限元分析的高速公路軟土地基加固方案選擇方法。該工程全長為46.257 km，起止樁號為K25+124～K71+381，為雙向六車道。其中，在K47+575～K48+314樁號段范圍內，由于工程靠近河流，周邊土壤含水量較高，內部孔隙較大，導致該樁號段內的土質條件較差，屬于軟弱土質，軟土地基長度為739 m。根據以往多年工程經驗可知，由于土質條件較差，若未進行任何處理，很容易導致該樁號段的路基建設與使用時出現較大的沉降問題，對車輛行駛帶來嚴重安全隱患。所以，該工程K47+575～K48+314樁號段進行施工時，應采取相應的方式對軟土地基進行加固處理，以提升地基強度，避免地基后續出現明顯的沉降問題。

1.2 地質條件

通過對某高速公路軟土地基段地質條件的勘查可以發現，地基土層由上至下依次為：①素填土層，呈灰色，主要成分為粉質黏土與碎石，其中，碎石粒徑在2～10 cm的含量約為40%，層厚在3.00～7.80 m。②淤泥層，呈灰褐色，伴有一定腥臭味，內部有機質含量較高，并含有少量貝殼，層厚在0.40～0.60 m范圍內。③粉砂層，呈灰黑色，主要成分包括石英石、長石等，伴有少量充填粘性土，層厚在2.60～8.00 m范圍內。④粉質黏土層，呈灰黑色，韌性中等，切面光滑，無搖振反應，層厚在2.50～12.50 m范圍內。⑤礫砂層，呈灰黃色，主要成分包括石英石、長石等，部分區域存在少量卵石，級配優良，層厚在0.80～9.50 m范圍內。

2 某高速公路軟土地基處理方案的選擇

根據某高速公路K47+575～K48+314樁號段的地質勘察結果，結合多種軟土地基加固方案的對比，最終選擇強夯置換碎石墩加固方案，該方案施工流程如圖1所示[1]，具體為：

（1）清理施工現場，清除地表的碎石、樹枝等雜質，使地表保持潔凈，然后以此為基礎，在地基表面鋪設一層1～2 m的砂石，以此構建出強度相對較高的墊層，為后續施工活動的進行打下良好基礎。

（2）通過放樣測量的方式，對施工現場進行測量，確定出強夯置換碎石墩的位置、標高等信息，并根據測量結果在現場的適當位置做出標記。

（3）根據前期現場測量結果，將起重機移動到相應位置，并調節夯錘角度，使夯錘中心線與碎石墩中心線處于同一垂線上。

（4）測量強夯之前夯錘的提升高度。

（5）將夯錘自由下落，對地面夯點進行夯擊，每次夯擊結束后，測量夯坑的深度。若夯坑深度過大，導致夯錘抬起較為困難，則應暫停施工，并在夯坑中添加適量的碎石等填料，使夯坑與周邊地表處于同一水平面，并記錄下使用填料的數量。反復進行該操作，直到夯擊次數、夯坑深度等指標達到要求為止，以此得到一個墩坑[2]。

（6）按照由內向外、間隔跳打的順序，利用上述方式依次構建出全部夯坑。若軟土地基位于斜坡段，應按照一邊推向另一邊、由高到低的方式進行施工。

（7）對施工現場整平處理，通過低能量滿夯將地表松土夯實，然后以水準儀為主要工具，測量地基松土層的高程。

（8）按照分層的方式鋪設墊層，每層厚度應控制在500 mm以上，每層攤鋪后立即壓實，以提升墊層的密實度。

3 某高速公路軟土地基處理方案的有限元模擬分析

3.1 地基有限元模型構建

為了了解強夯置換碎石墩在某高速公路軟土地基加固中的應用效果，該文采用有限元分析的方式，對加固處理后的路基水平位移與沉降量的變化情況進行分析。模擬分析前，應先將土層厚度、墩體深度等參數錄入Phase2軟件中，由該軟件自動構建出地基有限元模型[3]。實際情況中，土層厚度分布存在一定差異，墩體材料分布不均，若完全按照土層與墩體結構構建模型，不僅難度較高，而且效率較低，不利于后續模擬分析的進行。所以，為了方便研究，該文作出以下假設：研究區域土層完全一致，墩體材料均勻分布[4]。其中，主要參數包括：地基寬設置為7.5 m；地基中心線高設置為7.88 m；地基邊坡坡度設置為1∶1.5；斜坡段軟土地基厚度設置為6 m；斜坡坡度設置為1∶10；墩體孔徑設置為1.4 m；相鄰兩墩體間距設置為2.5 m；墩體深度設置為6 m；碎石墊層厚度設置為0.5 m。由此，可以得到如圖2所示的地基模型。

3.2 基于斜坡段軟土地基的沉降變形模擬分析

根據某高速公路K47+575～K48+314樁號段具體情況，分別針對水平段與斜坡段設置了兩種路基方案：水平段未處理方案與強夯置換碎石墩加固方案；斜坡段未處理方案與強夯置換碎石墩加固方案。然后，分別模擬分析了不同方案條件下，公路路基位移與變形情況。

3.2.1 水平位移分析

以圖2所示模型為基礎，模擬分析地基水平位移的分布情況。結合仿真分析可知，在水平段路基方面，未采用加固方案時，地基兩側水平位移分布情況呈左右對稱趨勢，左側地基逐漸向左側位移，右側地基逐漸向右側位移，位移峰值為41.95 mm，位于上下坡腳。采用強夯置換碎石墩加固方案時，地基水平位移分布趨勢與未加固時基本相同，僅數值上存在一定差異，位移峰值約為24.95 mm。水平段加固前后，地基水平位移峰值下降了17 mm，下降率達到了40.52%。同時，在碎石墩處，水平位移基本與周邊土體相同。由此表明，強夯置換碎石墩對水平段軟土地基具有良好的加固效果。強夯置換碎石墩的加固效果如圖3所示。

在斜坡段路基方面，未采用加固方案時，地基兩側水平位移分布情況并不相同；相對于坡度較高位置，坡度較低位置處水平位移分布區更大，且水平位移量更高；其中，峰值位于下坡腳，數值約為155.7 mm。采用強夯置換碎石墩加固方案時，地基水平分布趨勢與未加固時基本相同，僅數值上存在一定差異，位移峰值約為34.3 mm；相對于未加固時，強夯置換碎石墩加固后水平位移量降低了121.4 mm，下降率約為77.97%。同時，在碎石墩處，水平位移基本與周邊土體相同。由此表明，強夯置換碎石墩對斜坡段軟土地基具有良好的加固效果。

3.2.2 沉降量分析

以圖2所示模型為基礎，模擬分析地基沉降量分布情況。通過仿真實驗可知，在水平段路基方面，未采用加固方案時，地基兩側沉降量分布情況呈左右對稱趨勢，越靠近中心，地基沉降量越大，峰值約為101.47 mm。同時，在路基外側靠近坡腳，均存在一定凸起，凸起量約為16.25 mm，遠低于地基上的沉降量。采用強夯置換碎石墩加固方案時，地基沉降量分布趨勢與未加固時基本相同，僅數值上存在一定差異，沉降量位于地基中心，峰值約為59.03 mm。但路基外側凸起范圍較大，數值約為3.5 mm。斜坡段加固前后，地基沉降量峰值下降了42.44 mm，下降率達到了41.83%。同時，在碎石墩處，沉降量基本與周邊土體相同。由此表明，強夯置換碎石墩對水平段軟土地基具有良好的加固效果。強夯置換碎石墩加固后的沉降量情況如圖4所示。

在斜坡段路基方面，未采用加固方案時，地基兩側沉降量分布情況并不相同，相對于坡度較高位置處，坡度較低位置處沉降量分布區更大，且水平位移量更高，其中，峰值位于下坡段略微靠近中心線的位置，數值約為138.69 mm。采用強夯置換碎石墩加固方案時，地基水平分布趨勢與未加固時基本相同，僅數值上存在一定差異，位移峰值約為59.40 mm，相對于未加固時，強夯置換碎石墩加固后水平位移量降低了79.29 mm，下降率約為57.17%。同時，在碎石墩處，沉降量基本與周邊土體相同。由此表明，強夯置換碎石墩對斜坡段軟土地基具有良好的加固效果。

4 應用分析

采用強夯置換碎石墩對某高速公路K47+575～K48+314樁號段軟土地基進行加固，并分別設置5個監測點，以監測該樁號段內地基的水平位移與沉降量。通過對5個監測點位實際水平位移與沉降量的監測，以此判斷軟土地基的穩定性是否符合規定要求。通過對5個監測點的監測可以發現，K47+575～K48+314樁號段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范圍內，沉降量在15.47～83.24 mm

范圍內，均在規定要求范圍內。由此表明，通過強夯置換碎石墩加固方案的應用，顯著提高了某高速公路K47+575～K48+314樁號段軟土地基的穩定性，有利于公路后續使用。

5 結束語

綜上所述，現代高速公路軟土地基進行加固處理時，應根據施工現場地質條件特點制定出相應的加固方案，并以此為基礎，采用有限元分析的方式對加固方案應用效果予以分析，根據分析結果判斷加固方案是否達到預期效果。通過對5個監測點的監測可以發現：K47+575～K48+314樁號段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范圍內，沉降量在15.47～83.24 mm范圍內，均在規定要求范圍內。通過強夯置換碎石墩加固方案的應用，顯著提高了某高速公路K47+575～K48+314樁號段軟土地基的穩定性。

參考文獻

[1]王才進，武猛，楊洋，等.基于CPTU測試的高速公路擴建地基軟土參數空間變異性研究[J].中國公路學報，2023（2）： 197-208.

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[3]劉艷. 公路軟土地基沉降監測與穩定性分析[J]. 山西交通科技， 2022（3）： 62-64.

[4]饒江勇. 武漢三官漢江公路大橋南接線軟土路堤穩定性分析[J]. 山西建筑， 2020（21）： 113-114.