間隔條形改良軟基處理改擴建路堤承載變形數值分析

【摘" " 要】：針對傳統換填和就地固化地基處理方法工程量大、經濟性差等不足，提出了間隔條形改良處理公路改擴建工程軟土地基，結合某高速公路改擴建工程，建立了能夠較好反應間隔條形改良地基處理特性的數值分析方法，揭示了間隔條形改良地基處理方法工作機理和破壞模式，引入間隔比概念，分析了間隔比和改良材料對改擴建路堤承載變形特性的影響規律。研究表明：間隔條形就地改良處理可大幅度提高路堤承載能力和邊坡穩定性，經濟性較好；路堤的極限承載力隨著間隔比的增加而減小，隨著石灰摻量的增加而增加；隨著間隔比的增大，路堤邊坡穩定性系數逐漸降低，在高間隔比下，石灰摻量的提高對邊坡的安全系數的提升影響并不大。

【關鍵詞】：改擴建路堤；間隔條形改良；承載能力；邊坡穩定性；軟基

【中圖分類號】：U416.1 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-20-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.006

Numerical Analysis of Bearing Deformation of Embankment for Trench

Excavation Replacement and Soft Foundation Reconstruction and Expansion

【Abstract】： In view of traditional replacement and in-situ solidification of foundation treatment methods have shortcomings such as large engineering volume and poor economic efficiency. This paper proposes the use of trenching and replacement to treat soft soil foundations in highway renovation and expansion projects. Based on the actual renovation and expansion project of a certain highway， a numerical analysis method that can better reflect the characteristics of trenching and replacement foundation treatment was established and verified. The working mechanism and failure mode of the trenching and replacement foundation treatment method were revealed， and the concept of replacement ratio was introduced， analyzed the influence of replacement ratio and replacement materials on the load-bearing deformation characteristics of reconstructed and expanded embankments. Research has shown that excavation and replacement can significantly improve the bearing capacity of embankments and slope stability， with good economic benefits; The ultimate bearing capacity of the embankment decreases with the increase of replacement ratio， and increases with the increase of lime content. As the replacement ratio increases， the stability coefficient of the embankment slope gradually decreases， and at high replacement ratios， the increase in lime content has little effect on the improvement of the safety coefficient of the slope.

【Key words】： reconstruction and expansion of embankments；trenching and replacement；carrying capacity；slope stability；soft foundation

換填和就地固化法是公路工程處理軟土地基的常用技術，原理簡單、應用范圍廣；但當軟弱土路段較長、軟弱土層較厚時，傳統換填和就地固化方法工程量大、經濟性差。因此，提出一種新型的路基改良方法并系統開展相關研究十分必要。韋秋杰等[3]針對低等級公路軟土路基，提出換填和加筋相結合的新式換填處理方法，并采用有限元的方法驗證了結果；黃天元等[4]提出在開挖換填之前進行超載預壓處理并使用泡沫混凝土作為回填材料；李繁[5]利用泡沫輕質土在處理軟基方面的優越性，提出一種半挖半填的路基處理方式，并推導建立了輕質土換填路堤荷載下地基側向位移的理論模型；李金成等[6]使用圍堰換填法針對沼澤區的公路軟基進行處理，并采用數值模擬和現場實測的手段驗證了可行性；王元擴[7]針對山丘地區的高速公路軟基處理，提出了廣義換填方法，采用清淤、擠淤和就地改良相結合的方法處理不同工況下的軟弱土層。

以上研究雖然都有所創新，但主要還是傳統換填方法或傳統地基處理方法間的結合。大面積換填法清除所有軟弱土并回填性質較好填料的方式在一些環境下導致工程量大、施工周期長，不符合綠色低碳、循環經濟的建設理念；因此本文結合某高速公路改擴建軟基處理工程，提出了一種間隔條形改良方法并建立相應的數值模擬，揭示了破壞模式，引入間隔比和改良土石灰摻量兩個改良控制參數分析了承載變形特性的規律，成果可以為高速公路改擴建工程間隔條形改良后的變形控制提供一些參考。

1 工程概況

寧洛高速公路（來明段）改擴建工程跨江淮波狀平原和沿江丘陵平原，沿線穿過大量淤泥軟弱土層，軟弱路基段工程地質條件較差，如不得到有效處理將會影響工程質量。其中K73+650～K74+890路線上軟弱土連續分布且總體厚度較大，巖性多為灰色、灰黑色、褐灰色泥、淤泥質粉質黏土，呈軟塑～流塑狀。地下水埋深在0.20～3.80 m。見表1。

2 間隔條形改良技術

間隔條形改良技術是通過對新路堤下軟弱地基部分挖溝，采用石灰土攪拌現場軟土的方式進行改良加固處理。相關研究[8～9]已經驗證了石灰作為固化劑處理軟土可以得到較好的固化土性質。在淺層軟弱路基區每隔一段間距s進行開挖，將一定寬度d開挖土體中摻入石灰進行就地土體改良，之后將改良土回填至開挖溝槽處，并進行夯實施工達到滿足要求的壓實度。見圖1。

不同開挖溝槽間距s、寬度d及不同石灰固化土強度會對新老路堤承載力和長期沉降產生影響。

3 數值分析

3.1 數值分析模型建立

為研究不同換填參數對公路新老路堤各類性質的影響，使用ABAQUS有限元軟件建立改擴建路堤三維模型。見圖2。

建立模型時進行如下假定：

1）路基加固區域內土體被認為是均質且各向同性的；

2）公路作為對稱結構，計算模型取半幅路堤；

3）原有路堤和拓寬路堤的界面在變形過程中不發生相對滑移與脫離；

4）認為原有的路堤已在長期荷載作用下完全固結。

3.2 數值模型驗證

王超[10]對路堤邊坡的整體穩定性開展了較為細致的研究。為保證建立模型的安全可靠，采用本文數值模型建立方法計算文獻[10]中工程的路堤邊坡穩定性系數，并與其研究結果進行對比。見圖3。

文獻[10]中計算得到的路堤邊坡穩定性系數為1.98，而本文計算得到的值為2.02，誤差較小，驗證了利用上述模型進行改擴建工程邊坡穩定性分析是可靠的。

3.3 數值分析方案

挖溝換填的控制參數有開挖溝槽間距s、寬度d及不同石灰固化土強度。采用正交試驗法、根據工程經驗，取換填比s/d=0（不換填）、0.5（s=0.5 m，d=1.0 m）、1（s=1.0 m，d=1.0 m）、1.25（s=1.25 m，d=1.0 m）、1.5（s=1.5 m，d=1.0 m）、2（s=2.0 m，d=1.0 m）、3（s=3.0 m，d=1.0 m）；石灰固化土強度由石灰摻量控制，根據石灰摻量與強度指標[c、φ]的正相關關系，石灰固化土的抗剪強度隨石灰占比的增大而增加，固化土的石灰摻量分別取3%、5%、7%、9%。見表2。

采用正交試驗方法對上述因素進行研究，根據計算結果分析換填比s/d、換填固化土石灰摻量（即抗剪強度指標）與承載力、邊坡穩定性和路堤沉降的影響。

3.4 結果分析

3.4.1 破壞機理分析

楊帆[11]從彈塑性力學角度出發，提出軟土地基路堤變形破壞彈性、局部塑性變形和剪切破壞三階段，最后土體內形成一個貫通的塑性變形區，此時認為路堤破壞。

在未對淤泥進行換填處理時，塑性區從2個方向發展：一是新老路堤交界處通過淤泥區到達坡腳臨空面處，產生貫通的塑性區；另一個方向繼續沿強度較低的軟弱土發展，塑性區未貫通。當使用石灰固化土換填淤泥區后，塑性區從下臥軟弱土層的中部擴展開來并向上下連通，最終到達新老路堤交界處和軟弱土與粉質黏土的交界處。當繼續提高換填區石灰土的強度塑性區的形狀也不發生變化。見圖4。

分析路堤的破壞模式可知，使用石灰固化土對淤泥區和部分軟弱土進行換填可以有效地改變塑性破壞時的滑弧面形狀。在未對路基進行挖溝換填處理時，塑性區容易沿新老路堤結合面從強度最低的淤泥區穿過，產生完整的滑弧面；而當提高淤泥區的土體強度后，潛在滑動面在軟弱層最底部。這符合文獻[12]提出的軟土路基上路堤破壞模式，即淤泥區存在時其下層土層強度相對更高，滑動發生在相對表面的位置；而換填石灰改良土可以視作在路堤底部“加筋”，低強度的“加筋”主要破壞機制是深層的整體破壞。

分析其原因是在對淤泥區處理后，換填區土體的強度提高，此時軟弱土層土體性質較差，潛在滑動面避開淤泥換填區向軟弱土層發展，因此較不易形成貫通的塑性區。

3.4.2 承載特性分析

根據相關研究[13～14]，固化土和軟土共同發揮承載作用的復合地基，固化土承擔荷載的比例會隨時間增加而增大，最終的破壞也將從固化土部分首先體現，考慮土體完全固結的狀態，對承載特性的研究重點考慮固化土的性質。

換填比不變的情況下，改擴建路堤極限承載力隨換填區的石灰固化土的石灰摻量增加而增大，結合石灰改良土石灰摻量和內摩擦角與黏聚力的關系可知，路堤承載力與換填區的石灰固化土的強度成正比。見圖5。

石灰摻量相同的情況下，隨著換填比s/d增大（換填部分減少）極限承載力逐漸減少，而相同換填比時，換填部分越多受石灰摻量的影響越明顯，這種影響表現為極限承載力隨石灰摻量增加而先緩慢增大后快速增大。分析原因是隨著石灰固化土的強度提高，換填區整體性越來越強，塑性區難以通過換填區導致無法產生滑弧，從而較好發揮路堤自身的承載力。

結合破壞模式和計算結果的分析可知，挖溝換填可以降低路堤滑動破壞的可能，有效提高路堤的承載力。需要注意的是雖然換填區固化土的石灰摻量可以提高路堤的極限承載力，但在較大換填比的工況下提升不明顯，這是因為占比大的未換填區域發生破壞后，少部分換填區無法阻止路堤整體的破壞趨勢。

3.4.3 邊坡穩定性分析

隨著換填比的增大，路堤邊坡穩定性系數逐漸降低，高換填比下，石灰摻量的提高對邊坡的安全系數的提升影響不大。見圖6。

兼顧經濟性，追求大范圍的換填會造成資源浪費，綜合考慮較高的路堤承載力，可選擇換填比s/d=0.5、石灰摻量5%和換填比s/d=1、石灰摻量9%2種工況。

綜上所述，挖溝換填可以有效提高路堤的極限承載力。石灰摻量不變，路堤的極限承載力隨著換填比s/d的增加而減小，換填比不變時極限承載力隨著石灰摻量的增加而增加，但換填比s/d過大會明顯影響路堤承載力和穩定性的增長使得增加石灰摻量也無法達到較好的效果。

3.4.4 變形特性分析

淤泥換填區的壓縮量隨著石灰摻量的增加逐漸較小且減小趨勢越來越慢，分析原因是石灰摻量的增加有助于換填區發揮復合地基硬殼層的作用。淤泥換填區的壓縮量隨換填比的增加不斷增大，說明在高換填比下，路堤的整體沉降更明顯，不利于工程穩定性。為控制路堤的變形，需要控制換填比s/d不會過大。見圖7。

路堤表面的最大沉降發生在新路堤的坡肩處，沉降值可達34.5 cm，相同石灰摻量時，在對下部淤泥區進行換填處理后沉降值下降至14.77 cm，沉降減少了57.2%。最大差異沉降由不換填時的36.85 cm減少至16.46 cm，認為下部淤泥區的處理對降低路堤沉降，減少新老路堤差異沉降效果顯著。未經換填處理時路堤下部的最大沉降發生在新路堤的路肩下方處，最大沉降量為37.1 cm，新老路堤的最大差異沉降為32.6 cm，差異沉降非常大且在新路堤坡腳處位移值為8.72 cm，認為此時的坡腳處有明顯的隆起現象。見圖8。

在進行換填后，新老路堤下部沉降量明顯減少，在石灰摻量3%完全換填工況下最大沉降僅為14.92 cm，對比不換填工況，沉降減小了22.18 cm。新老路堤的差異沉降為8.92 cm，差異沉降大大減小，分析認為在進行淤泥換填后，原有淤泥區的土體性質得到改善，其壓縮性減小，在新路堤擴建施加新的應力后，整個土層的壓縮量大大減小，說明換填效果顯著。在不進行淤泥換填處理情況下，填土層最大沉降發生在新老路堤交界處下部附近，填土層下部的最大沉降量可達20.97 cm，該層的最大沉降差異為15.97 cm。在進行淤泥換填后，以石灰摻量3%完全換填工況為例，最大沉降發生在新路堤披肩下方處，其最大沉降減小為13.3 cm，該層的最大差異沉降減小為7.67 cm。見圖9。

在不換填情況下，軟土層下部的最大差異沉降值為3.97 cm，在進行換填后，沉降量有所減小，但減小程度較小，效果不明顯。以石灰摻量7%全換填為例，差異沉降量為3.86 cm，沉降量減小了0.85 cm，差異沉降量減小了0.11 cm，說明換填處理對該層的沉降影響較小。見圖10。

對比圖9和圖10可以看出，未進行換填處理時改擴建工程導致沉降發生的主要位置在新路基的路肩下軟土處，不換填工況下的沉降曲線在新路堤所在一段呈現出明顯的低谷，而在坡腳附近高于換填處理工況下的曲線。這符合文獻[15]中側向擠出的現象，說明經過換填處理后，固化土層在豎直方向和側向都限制了軟土路基的沉降，導致軟基路堤最終沉降量大幅減少，驗證了挖溝換填能夠給較好地減少路堤沉降量。

4 結論

1）挖溝換填可以有效提高路堤極限承載力，路堤極限承載力隨著換填比s/d的增大而減小，隨著石灰摻量的增大而增大。換填比超過某值后，改變該值對路堤承載力增長影響較小。

2）換填區的壓縮量隨著石灰摻量的增大逐漸減小，隨換填比的增大不斷增大。

3）隨著換填比的增大，路堤邊坡穩定性系數逐漸降低，高換填比下，石灰摻量的提高對邊坡安全系數的提升影響并不大。

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