劉 智,陳仕文,唐昌意,黨文剛,李 棟

(1.珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000；2.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519000)

0 引言

強(qiáng)夯法又稱為動(dòng)力固結(jié)法或動(dòng)力密實(shí)法[1-3]，強(qiáng)夯法以其處理面積廣、工期短、施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于堆場(chǎng)、公路、機(jī)場(chǎng)、房屋建筑等工程，并取得了良好效果。國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)夯法展開(kāi)了大量的研究工作，目前對(duì)于強(qiáng)夯置換研究多利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或基于大變形理論的動(dòng)力數(shù)值模型，分析強(qiáng)夯過(guò)程中地基變形與孔隙水壓力變化及其加固效果或動(dòng)力響應(yīng)，鮮有文獻(xiàn)分析成樁后道路施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程的力學(xué)性能。由于施工及運(yùn)營(yíng)期間存在顯著的固結(jié)沉降，不同的樁直徑、填石厚度、道路高度、施工速度及地基土滲透性等復(fù)雜條件下時(shí)強(qiáng)夯石渣樁處理后的道路會(huì)表現(xiàn)出不同的沉降特性。對(duì)強(qiáng)夯石渣樁地基處理的道路進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)來(lái)研究這些特性成本大、周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)有限。而采用數(shù)值研究方法能以較低的成本獲得更全面的數(shù)據(jù)。

準(zhǔn)確地模擬施工過(guò)程及流固耦合的是分析軟土地區(qū)道路式道路受力和變形的關(guān)鍵。流固耦合分析可以考慮孔壓、應(yīng)力和應(yīng)變之間的相互關(guān)系，從而得出道路的固結(jié)沉降規(guī)律。路堤式道路存在逐層填筑和壓實(shí)過(guò)程，填筑過(guò)程可以采用分層激活的方法模擬，而道路壓實(shí)則可以通過(guò)在每層填筑完成時(shí)在表面施加一個(gè)臨時(shí)均布荷載，然后再激活下一層淺移除該荷載來(lái)模擬，這種方法已被一些學(xué)者[4-6]所采用。

本文以珠海高欄港綜合保稅區(qū)市政道路工程為原型，建立相應(yīng)有限元模型研究了填石軟土地基強(qiáng)夯石渣樁道路靜力學(xué)性能。采用了具有雙曲線應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的硬化土模型(HS)[7]來(lái)模擬不同土層，基于Biot固結(jié)理論進(jìn)行流固耦合分析，并考慮了逐層填筑和壓實(shí)過(guò)程。獲得的道路施工及運(yùn)營(yíng)階段超靜孔隙水壓力、有效應(yīng)力、位移及樁土應(yīng)力比等靜力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上展開(kāi)參數(shù)分析，研究了5種參數(shù)對(duì)該類道路沉降的影響。

1 工程概況

該道路為水泥路面，路面厚度0.8 m(碎石墊層0.15 m、水穩(wěn)碎石0.4 m和C40面層0.25 m)，工程范圍內(nèi)分布著大量淤泥及淤泥質(zhì)土層，最大軟土層厚度超過(guò)25 m，淤泥層上部現(xiàn)狀為開(kāi)山土石料填筑形成陸域，厚度約3 m，土石料粒徑大小不一，塊石粒徑大部分在2～80 cm之間，部分塊石最大粒徑超過(guò)100 cm。強(qiáng)夯能級(jí)為12 000 kN·m，分兩遍夯實(shí)，樁間距S為8 m，正方形布置，中間插夯，樁身直徑D為3 m，置換率0.22。場(chǎng)地自上而下依次為人工填土(碎塊石夾雜粘性土)、淤泥、粘土、淤泥質(zhì)土、粘土、強(qiáng)風(fēng)化巖，見(jiàn)圖1。

本項(xiàng)目采用的強(qiáng)夯工藝如下：

a.場(chǎng)地整平，準(zhǔn)備好塊石填料；

b.強(qiáng)夯機(jī)就位強(qiáng)夯機(jī)就位，點(diǎn)夯，用填料將夯坑填平，并設(shè)專人記錄；

c.重復(fù)夯擊、填料直到達(dá)到收錘標(biāo)；

d.重復(fù)b、c工序，直到完成第一遍夯點(diǎn)；

e.推平場(chǎng)地，間歇消散，測(cè)量標(biāo)高；

f.第二遍點(diǎn)夯放樣，并測(cè)量標(biāo)高，同時(shí)備料，重復(fù)b～d，直到完成第二遍夯點(diǎn)；

g.推平場(chǎng)地，間歇消散，測(cè)量標(biāo)高，超出交工面標(biāo)高較多時(shí)應(yīng)挖除土石方；

h.普夯，能級(jí)2 000 kN·m，一點(diǎn)2擊，夯印搭接1/3；

i.夯后測(cè)量和檢測(cè)。

圖1 高能強(qiáng)夯處理地基布置圖Figure 1 Layout of HELDC-treated foundation

2 數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型概述

采用PLAXIS建立平面應(yīng)變有限元模型如圖2所示，模型各組成部分均采用15節(jié)點(diǎn)三角形網(wǎng)格實(shí)體單元模擬。將三維的樁按照趙維炳等[8]的“樁墻法”等效為二維的樁墻。約束左右邊界x方向位移和模型底部x、y方向位移。關(guān)閉模型左側(cè)及底部的滲流邊界，允許模型右側(cè)及頂部自由排水，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)測(cè)情況，設(shè)置潛水位線位于y=-1 m處。本文所構(gòu)建的模型并不考慮強(qiáng)夯成樁過(guò)程，而是以已完工強(qiáng)夯地基為初始狀態(tài)的。

圖2 有限元網(wǎng)格Figure 2 Mesh of FEM model

2.2 材料參數(shù)

模型中除路面水穩(wěn)碎石和砼路面采用線彈性模型(E=30 MPa ，μ=0.15;E=20 MPa ，μ=0.2)外，其余部分均采用HS模型，該模型采用了隨圍壓變化的彈性切線模量，相比于采用線彈性理想塑性的Mohr-Coulomb模型，更符合土的非線性特性。HS模型可以考慮土體剪切硬化和壓縮硬化，適合模擬沙土、砂礫以及粘土和淤泥多種類型土體[7]。其圍壓相關(guān)剛度E50和卸載模量Eur度表示為：

(1)

(2)

對(duì)于摩擦角大于30°的樁體和填石，剪脹角可以近似等于φ-30°[9]。其余材料均采用為線彈性模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取原狀土進(jìn)行三軸排水試驗(yàn)獲取相應(yīng)的參數(shù)，具體見(jiàn)表1。在樁外側(cè)設(shè)置接觸面模擬樁土之間的相互作用。接觸面的強(qiáng)度和剛度取決于與結(jié)構(gòu)相接觸的土體的相關(guān)參數(shù)，其相互關(guān)系由折減參數(shù)Rinter控制，設(shè)置為0.67。

表1 數(shù)值計(jì)算中各材料參數(shù)Table 1 Related parameters of each material in numerical model類型γunsat/(kN·m-3)γsat/( kN·m-3)einiEref50/MPaErefeod/MPaErefur/MPaPref/kPamRfΦ'/(°)Ψ/(°)C'/kPaK碎石墊層20.0220.525.025.075.01000.50.936612.0E-2填石20.5220.522.522.567.51000.50.935554.0E-2石柱22.0230.5200.0200.0600.01000.50.939912.0E-2淤泥16.5172.02.32.36.91000.90.9120103.6E-7淤泥質(zhì)土17.5181.72.82.88.41000.80.9150167.2E-7粘土19.0201.55.05.0151000.70.9280281.3E-6路堤2.0210.710.510.531.51000.60.9300353.3E-4注:表中參數(shù)從左向右依次為非飽和重度、飽和重度、初始孔隙比、標(biāo)準(zhǔn)三軸排水試驗(yàn)割線剛度、側(cè)限壓縮試驗(yàn)切線剛度、卸載再加載剛度、參考應(yīng)力、剛度的應(yīng)力相關(guān)冪指數(shù)、破壞比、有效摩擦角、剪脹角、有效黏聚力和滲透系數(shù)。

3 施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程靜力性能

3.1 超靜孔隙水壓力

如圖3所示，施工過(guò)程中超靜孔隙水壓力隨著填筑高度(車輛荷載等效為土高)增加而快速增大。每個(gè)填筑過(guò)程完成后間歇15 d過(guò)程中，超靜孔隙水壓力有所消散，且近樁端(點(diǎn)J)比遠(yuǎn)樁端(點(diǎn)Y)消散速度更快，這是由于強(qiáng)夯樁提供了良好的排水通道。在車輛荷載作用下，超靜孔隙水壓力達(dá)到最大值，隨后運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，超靜孔隙水壓力逐步消散，土體固結(jié)度提高。在試運(yùn)營(yíng)1 a后，近樁端超靜孔隙水壓力已從幅值-27.3 kPa降低至-7.1 kPa，降幅達(dá)73.9%。

圖3 超靜孔隙水壓力時(shí)程曲線Figure 3 Time history of excess pore pressures

超靜孔隙水壓力能夠反映著地基中固結(jié)程度。如圖4所示，在加固區(qū)的樁體所在及其附近，超靜孔隙水壓力幾乎為0，這是由于樁間土的不僅能依靠頂部碎石層快速排水，還能水平向地向碎石樁體滲透。試運(yùn)營(yíng)1 a后(S1)，加固區(qū)完成固結(jié)；但在樁端下部軟土區(qū)，由于排水路徑不暢，超靜孔隙水壓力消散較為緩慢，最大超靜孔隙水壓力向滲透性較低、排水距離較遠(yuǎn)且附加應(yīng)力較大的淤泥質(zhì)土層集中，這些超靜孔隙水壓力需要經(jīng)過(guò)數(shù)年甚至幾十年時(shí)間才能完全消散。試運(yùn)營(yíng)1 a后，模型最大超靜孔隙水壓力仍高達(dá)-31.8 kPa，試算表明，運(yùn)營(yíng)約11 a后才基本完成固結(jié)(最大超靜孔隙水壓力消散至-1 kPa以下)。

3.2 有效應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律

在施工以及運(yùn)營(yíng)早期階段，有效應(yīng)力增長(zhǎng)速率最快，之后增長(zhǎng)速率逐步下降，直至穩(wěn)定到固定值。例如A點(diǎn)的在前420 d，有效應(yīng)力從-51.5

圖4 超靜孔隙水壓力分布圖

kPa迅速增加到-70.9 kPa，增長(zhǎng)37.6%，而后近30 a中，有效應(yīng)力僅增長(zhǎng)了4.5%。

圖5 平均有效應(yīng)時(shí)程曲線Figure 5 Time history curve of average effective stress

若按照平均有效應(yīng)力增長(zhǎng)量達(dá)到總增長(zhǎng)量的90%為“基本完成固結(jié)”的標(biāo)準(zhǔn)，則埋深越大，完成固結(jié)所需要時(shí)間越久。5個(gè)不同埋深處特征點(diǎn)的土體基本完成固結(jié)分別需要497 d至2 990 d不等。

3.3 沉降

如圖6所示，道路施工過(guò)程中道路范圍內(nèi)沉降不斷加大，設(shè)計(jì)年限末(S30)樁的最大總沉降達(dá)到48.7 cm，最大工后沉降34.6 cm(超過(guò)規(guī)范[10]的30 cm限值)，道路范圍外出現(xiàn)明顯隆起現(xiàn)象，但運(yùn)營(yíng)期間隨著路基土逐步固結(jié)，路基范圍外變形由隆起變?yōu)槌两?。由于固結(jié)緩慢，沉降主要發(fā)生在工后運(yùn)營(yíng)期(約占總沉降的71.1%)，若要減小工后沉降，應(yīng)該盡量使沉降發(fā)生在施工期間，這可以通過(guò)加快固結(jié)或降低施工速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了不影響工期，加快固結(jié)速度往往是更優(yōu)選擇，經(jīng)計(jì)算，在樁間施打5排間距3 m長(zhǎng)35 m塑料排水板，可以將施工期內(nèi)沉降占比由28.9%提升至42.3%。

(a) 總沉降

(b) 差異沉降

采用強(qiáng)夯石渣樁軟基處理工藝的樁土差異沉降(樁間土與樁頂沉降差)較小，基準(zhǔn)工況中僅為3.4 cm，這一方面是由于本模型中石渣樁為“浮樁”，其沉降方式以樁與土整體共同下沉為主；另一方面厚度達(dá)3 m的現(xiàn)狀碎石土層形成一層 “硬殼”，降低了樁土剛度差，進(jìn)而減小了樁土應(yīng)力比和樁土差異沉降。

3.4 樁土應(yīng)力及應(yīng)力比

樁土應(yīng)力是評(píng)估土拱效應(yīng)的重要參數(shù)，如圖7所示，樁和土的應(yīng)力以及樁土應(yīng)力比均隨著等效填土高度逐步增大。本模型中樁土應(yīng)力比處于較低的水平，最大樁土應(yīng)力比不超過(guò)2.5，這與填土高度小導(dǎo)致土拱難以形成，以及填石層的存在增強(qiáng)了樁間土的承載占比有關(guān)。運(yùn)營(yíng)期間，樁土應(yīng)力比進(jìn)一步增大，這是地基逐步排水固結(jié)過(guò)程更多附加應(yīng)力向樁頂轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

(a) 樁土應(yīng)力

(b) 樁土應(yīng)力比

4 沉降影響因素參數(shù)分析

本節(jié)將以第2節(jié)所述模型為基準(zhǔn)工況展開(kāi)參數(shù)分析，研究置樁徑(置換率相同)、填石厚度、道路高度、施工速度以及地基土滲透性對(duì)道路沉降的影響。

4.1 相同置換率不同樁徑的影響

基準(zhǔn)模型的置換率m=πD2/2S2，因此相同置換率時(shí)不同樁間距S對(duì)應(yīng)于不同樁徑D。如圖8所示可知置換率相同的情況下，不同樁徑下樁頂水平剖面的總沉降量幾乎一致，這是因?yàn)橄嗤脫Q率下，復(fù)合地基的整體承載力和復(fù)合壓縮模量可以認(rèn)為保持不變。樁土差異沉降會(huì)隨著樁徑的減小而減小，例如4 m樁徑的樁土差異沉降比2 m樁徑的樁土差異沉降增大了151%。這主要是因?yàn)闃稄叫r(shí)，樁間距也更小，樁土復(fù)合體的剛度分布更均勻，從而差異沉降相應(yīng)降低。因此，置換率確定的情況下，推薦采用小直徑小間距布樁設(shè)計(jì)。

(a) 總沉降

(b) 差異沉降

4.2 填石厚度的影響

圖9為場(chǎng)地填石厚度對(duì)沉降的影響。填石越厚道路總沉降和差異沉降越小，這有多方面原因：首先，厚的填石層本身具有的硬殼效應(yīng)更明顯，能夠?qū)⑸喜扛郊雍奢d傳遞到更廣泛范圍；其次，更厚的填石層抗壓承載能力更強(qiáng)，總體上對(duì)淤泥的總體置換率更大，土石復(fù)合體壓縮模量更大；最后，填石層厚度增加時(shí)淤泥中超靜孔隙水壓力豎向排水路徑更短，固結(jié)沉降更快，在達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)，下部軟土固結(jié)程度更高。

(a) 總沉降

(b) 差異沉降

4.3 道路高度的影響

該項(xiàng)目道路高度在1～3 m之間，圖10對(duì)比了5種不同填土高度下道路沉降規(guī)律。由圖可知，道路高度增大時(shí)樁頂水平剖面的總沉降量顯著增大，樁頂差異沉降與道路高度近似呈線性關(guān)系。但各工況路面位置差異沉降都很小，維持在1～2 cm左右。這是因?yàn)榈缆犯叨鹊脑龃箅m然增加了道路底面差異沉降，但也有促進(jìn)土拱效應(yīng)的發(fā)揮從而降低路面位置差異沉降；另外路面結(jié)構(gòu)剛度大整體性強(qiáng)，對(duì)荷載有明顯的擴(kuò)散作用，即使路面高度不大，仍不會(huì)在路面形成較大的差異沉降，例如1 m道路高度下的樁頂和路面差異沉降很小，都接近1 cm，這是因?yàn)?，壓縮性相對(duì)較大的填土厚度很薄(僅0.2 m)，0.8 m剛性路面結(jié)構(gòu)將更多荷載直接傳遞到了樁體上。

(a) 總沉降

(b) 差異沉降

4.4 施工速度的影響

圖11為填筑速率對(duì)沉降的影響。可以看出不同施工速度下最終總沉降幾乎一致，這說(shuō)明在設(shè)計(jì)年限末(S30)各工況地基均達(dá)到了相同的固結(jié)度，但工后沉降卻有較大的差異，15+45 d/層比1+4 d/層的最大工后沉降減小20.5%。國(guó)內(nèi)外規(guī)范均對(duì)軟土地區(qū)路基容許工后沉降提出限制要求，因此適當(dāng)?shù)慕档偷缆诽钪俾剩岣呤┕ね瓿蓵r(shí)地基的固結(jié)度，使得更多的沉降發(fā)生在施工期間，能夠減小道路工后沉降。對(duì)于高填方道路，過(guò)快的填筑速度還易引發(fā)道路失穩(wěn)問(wèn)題。

4.5 地基土滲透性的影響

項(xiàng)目所在地淤泥、淤泥質(zhì)黏土和粘土的滲透性在10-6～10-8cm/s數(shù)量級(jí)，本文將分析的淤泥層滲透性為高H、中高HM、中M、中低LM和最低L共5種水平，保持基準(zhǔn)工況中3種土的滲透系數(shù)的倍數(shù)關(guān)系不變。

如圖12所示，軟土滲透性小于M水平時(shí)，總沉降和差異沉降隨著滲透性增大而增大，而當(dāng)滲透性大于M水平后，沉降不再增大。這是因?yàn)樵贚和ML滲透水平下設(shè)計(jì)年限末地基土體仍不能完成固結(jié)(經(jīng)計(jì)算，固結(jié)度分別為42.3%和79.7%)，從而造成低滲透率下總沉降反而小的現(xiàn)象。

(a) 總沉降

(b) 差異沉降

4.6 影響參數(shù)評(píng)價(jià)

表2總結(jié)了各研究參數(shù)對(duì)道路沉降影響。為了統(tǒng)一地評(píng)價(jià)影響程度，每種參數(shù)在所研究范圍內(nèi)變化時(shí)引起最大沉降和最大差異沉降進(jìn)行了正規(guī)化處理?？梢钥闯?，在相同置換率下樁徑對(duì)于總沉降影響小但對(duì)差異沉降影響較大，填石厚度影響具有相似規(guī)律?？傮w來(lái)看，影響道路沉降最重要的因素是道路高度和滲透性大小，而影響差異沉降最主要的因素是填石厚度和道路高度及樁徑。在所研究參數(shù)范圍內(nèi)，施工速度對(duì)沉降和差異沉降影響均較小。另外，滲透性對(duì)差異沉降均產(chǎn)生一定程度的影響。

(a) 總沉降

(b) 差異沉降

表2 各參數(shù)對(duì)道路沉降的影響Table 2 Influence of all parameters on settlement of embankment參數(shù)類別樁徑/m填石厚度/m道路高度/m施工速度/(d·層-1)滲透性大小/(cm·s-1)最大參數(shù)4.05315+455.76E-6最小參數(shù)2.0111+42.25E-8影響最大參數(shù)2.01.0315+452.25E-8沉降范圍48.61～50.1944.55-52.6329.67～69.7148.62～48.8332.90～48.84差異沉降范圍1.66～4.435.80-1.3312.1～5.803.41～3.592.28～3.56max|ΔX|/ Xref/%3.058.0643.140.2632.45max|ΔY|/Yref/%51.3170.2070.145.3133.17注:max|ΔX|/ Xref(%)和max|ΔY|/Yref(%)分別代表的是:將影響最大的參數(shù)值對(duì)應(yīng)的沉降和差異沉降分別利用基準(zhǔn)工況的最大沉降Xref和差異沉降Yref進(jìn)行正規(guī)化的結(jié)果。相對(duì)沉降ΔX= Xref與計(jì)算工況的最大沉降X的差,相對(duì)差異沉降ΔY= Yref與計(jì)算工況的最大差異沉降Y的差,其中Xref=48.70 cm,Yref=3.41 cm。

5 結(jié)論

在高欄港綜合保稅區(qū)市政道路工程中應(yīng)用高能強(qiáng)夯石渣樁進(jìn)行地基處理后，荷載板試驗(yàn)、樁間土十字板剪切試驗(yàn)以及動(dòng)力觸探試驗(yàn)均表明該方法加固效果明顯，地基承載力大大增加，道路投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)路況良好，路面未出現(xiàn)明顯病害。依托本項(xiàng)目建立的填石軟土地基強(qiáng)夯石渣樁道路的有限元模型獲得以下結(jié)論：

a.石渣樁作為良好的排水通道能促使加固區(qū)的超靜孔隙水壓力快速消散，但加固區(qū)下部軟土層消散緩慢，11 a后才基本完成固結(jié)。

b.排水固結(jié)引起平均有效應(yīng)力增大，其增量大小隨著埋深先增加再減小，且埋深越大，完成固結(jié)所需時(shí)間越長(zhǎng)。有效應(yīng)力增長(zhǎng)主要發(fā)生在施工及運(yùn)營(yíng)初期階段。

c.強(qiáng)夯石渣樁樁土差異沉降小但工后沉降較大(超過(guò)30 cm)，可采用施打排水板或降低施工速率等措施增加施工期間沉降占比來(lái)減小工后沉降。

d.強(qiáng)夯石渣樁的樁土應(yīng)力比處于較低水平，在施工及運(yùn)營(yíng)期間會(huì)逐步增大。

e.參數(shù)分析表明，影響道路沉降最重要的因素是道路高度和滲透性大小，而影響差異沉降最主要的因素是填石厚度和道路高度及樁徑。