楊景旭

（中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司廣州分公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

軟土是公路路基填筑施工中采取的主要材料，其具備壓縮系數(shù)大、孔隙比及含水率高、穩(wěn)定性差等缺陷。軟土路基在長周期運行情況下，車輛荷載、外界復雜環(huán)境均會導致路基產(chǎn)生較大變形，繼而引發(fā)路基邊坡失穩(wěn)滑塌、路面結(jié)構(gòu)沉陷及破損。軟土路基處理需要充分結(jié)合工程所處地質(zhì)、水文、氣候等環(huán)境，在滿足施工經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，確保軟土路基沉降滿足設(shè)計標準，科學合理地開展軟土路基設(shè)計及加固是確保公路項目穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。

1 軟土地區(qū)路基加固方法

1.1 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法作為軟土路基常用加固方法（如圖1所示），主要包括排水系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)。排水系統(tǒng)可分為塑料排水、袋裝砂井排水兩種形式，加壓系統(tǒng)則是通過填方路基逐級自重加載或外力加載等方式進行軟土路基加壓處理，加壓系統(tǒng)能夠加快軟土路基內(nèi)部水分的排出，加壓導致的額外附加應力也會造成超孔隙水壓力，水分排出階段軟土顆粒則會不斷固結(jié)，形成一定強度[1]。一般高填方路基通過自身的逐級填土荷載就能夠?qū)崿F(xiàn)排水固結(jié)效果，軟土地基土層或者低填方路基則可以采取堆載預壓形式來促進固結(jié)沉降，提升強度。

圖1 排水固結(jié)法

1.2 強夯法

軟土地基采取強夯法加固具備3～6 m的處理深度，強夯法施工技術(shù)極為簡單，主要采用吊重設(shè)備進行一定高度的自由下落，提升軟土地基的承載強度。強夯法應用中需要重點控制噪聲污染，施工場地周圍存在村莊或建筑物時，則需要采取隔振、除噪等措施[2]。

1.3 土工織物加固

軟土路基中可以埋設(shè)拉筋、土工織物、土工格柵等材料，形成一體化的土工加固復合土體。加筋材料對軟土路基強度穩(wěn)定性、變形控制等方面具有明顯效果、土工材料需要布置在軟土路基應力相對集中位置，土工材料和軟土之間的摩擦力促使加筋體產(chǎn)生拉力，避免軟土受拉破壞。土工材料鋪設(shè)不能對軟土內(nèi)部的空隙水產(chǎn)生影響，孔隙水壓力的消散還需要結(jié)合其他處理措施，如豎向排水固結(jié)法等[3]。

1.4 水泥攪拌樁法

水泥攪拌樁法則是將水泥等膠凝材料和軟土地基進行攪拌，通過一系列物理化學作用而形成結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定密實的樁土復合物，施工示意圖如圖2所示。水泥攪拌樁法能夠充分提升軟土密實度，加強其承載強度，減小軟土沉降變形。水泥攪拌樁法施工便利，加固效果良好，但是需要消耗大量水泥，具備施工造價高的缺點。水泥攪拌樁法適用于淤泥質(zhì)土、含水量豐富的黏性土及粉土等地基。

圖2 水泥攪拌樁法施工示意圖

2 工程概況

廣東省某城市快速路設(shè)計為Ⅱ級公路標準，路線設(shè)計全長5 km，起終點樁號K0+000～K5+000，雙向四車道，設(shè)計車速80 km/h，路面設(shè)計寬度16 m，沿線存在大范圍分布的軟土材料，地表里程在2.5～8.6 m之間，該項目是實現(xiàn)城市交通流往外擴散的重要通道。經(jīng)勘察單位現(xiàn)場勘察可知，沿線地層巖性主要包括雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土，軟土埋深達到10～15 m，且路基設(shè)計主要為填方路基，現(xiàn)場擬選取軟土材料進行填筑施工。軟土路堤施工中需要對軟土變形沉降進行分析，并且及時采取針對性加固措施，避免后續(xù)通車造成較大的不均勻沉降，引發(fā)交通安全事故。設(shè)計單位綜合實際環(huán)境和施工技術(shù)要求，采取水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵方式進行軟土路基的加固處理[4]。

3 路基方案設(shè)計

依據(jù)該公路項目實際建設(shè)進度和周圍地質(zhì)、地形環(huán)境，設(shè)計單位選取公路里程K3+500作為典型斷面來開展ABAQUS 2d有限元加固效果分析。K3+500處斷面軟土路基填筑高度為5 m，軟土填筑邊坡坡率為1∶1.5，路基底部寬度則達到了31 m。軟土填筑主要采用分層分階段施工，共分為5層施工，每層填筑高度為1m；路基頂部路面結(jié)構(gòu)設(shè)計：上面層厚度4 cm（AC-13細粒式瀝青混凝土）+下面層6 cm（AC-20粗粒式瀝青混凝土）+18 cm基層（5%水穩(wěn)碎石）+25 cm底基層（5%水穩(wěn)碎石）。路面結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)如表1所示。軟土路基填筑前期，需要對地基表面的雜填土進行挖除，并且鋪設(shè)一層厚度為50 cm的砂墊層，路基底部-0.5 m處構(gòu)建首層土工格柵，路基底部位置施工第二層土工格柵。墊層以下軟土地基中需要施工水泥攪拌樁，水泥攪拌樁布置樁間距為1.5 m，樁直徑0.5 m，樁長9 m。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 有限元分析

4.1 模型構(gòu)建

軟土路基ABAQUS 2d有限元模型構(gòu)建中，需要設(shè)定地基影響深度、寬度分別為30 m、120 m，有助于減小邊界效應對軟土路基應力、位移的影響。有限元模型中土體本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫倫破壞準則，面材料采取線彈性設(shè)置。模型邊界設(shè)定中需要固定垂直向、水平向位移，不考慮軟土中水的影響，且邊界不透水。有限元模型構(gòu)建如圖3所示[5]，采取四邊形2維網(wǎng)格單元，模型單元數(shù)為9 862個，節(jié)點數(shù)為7 861個，單元劃分質(zhì)量相對均勻。軟土路基填筑及上部路面結(jié)構(gòu)層施工模擬階段，路基填筑需要分別考慮填料固結(jié)、地基固結(jié)分析，進行單層2個固結(jié)分析步的設(shè)置，最后則要開展軟土路基15年工后沉降分析。

圖3 有限元建模示意圖

4.2 材料參數(shù)

模型中砂墊層厚度50 cm，模量50 MPa，泊松比0.34，容重19.8 kN/m3，滲透系數(shù)則為8 m/d；土工格柵張拉模量3 850 MPa/m，泊松比0.24；水泥攪拌樁彈性模量120 MPa，泊松比0.21；不同土層的物理技術(shù)指標參數(shù)如表2所示。

表2 土層物理參數(shù)

4.3 計算結(jié)果

4.3.1 沉降分析

設(shè)計單位主要對水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵方式復合加固效果進行對比分析。該計算模型為兩側(cè)對稱，項目選取路基頂部路面結(jié)構(gòu)作為沉降監(jiān)測點位，主要對左半幅軟土路基斷面進行不均勻沉降對比。圖4為軟土路基加固前后15年工后沉降對比分析圖。結(jié)果表明，水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵復合加固形式能夠顯著減小路基頂部不同區(qū)域的沉降變形，最大豎向變形出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)中心線處，且沉降變形隨著距中心線越遠呈不斷減小的發(fā)展趨勢[6]；未加固下，15年工后沉降最大值為23.5 cm，加固后則僅為6.2 cm，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

圖4 處理前后路基沉降計算對比

4.3.2 水平變形分析

項目開展軟土路基不利位置的水平位移對比分析，主要選取路基底部作為控制點位，加固前后15年工后變形如圖5所示。結(jié)果表明，水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵復合加固形式能顯著減小路基底部水平位移發(fā)展；未加固下的15年工后水平位移最大達到6 cm，加固后則僅為1.6 cm。路基整體性得到了明顯優(yōu)化。

圖5 處理前后路基水平變形計算對比

4.3.3 豎向應力分布

通過應力云圖的對比可知軟土路基加固前后的豎向應力分布狀態(tài)差異性較大。其中，未加固前的路基應力主要分布在軟土地基中，而加固處理后的豎向應力則主要集中于水泥攪拌樁施加位置處，由此可見，加固促使應力狀態(tài)產(chǎn)生了重分布[7]。且未加固前的路基最大壓應力達到198 kPa，而加固后的路基最大壓應力則為151 kPa?？紤]到路基沉降變形是由路基中應力造成的軟土壓縮，加固后的復合路基能夠良好地控制工后沉降。

5 總結(jié)

隨著公路工程建設(shè)速度和規(guī)模的不斷擴展，公路建設(shè)面臨的地形、地質(zhì)等環(huán)境也愈發(fā)復雜。軟土路基作為公路工程常見疑難性結(jié)構(gòu)，其具備強度低、穩(wěn)定性不足、變形系數(shù)大等特點。路基施工中采取軟土材料進行填筑時，則需要對路基不均勻沉降進行分析，及時采取路基加固措施，避免工后沉降的增大。公路軟土路基加固處理是項目穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。軟土路基處治需要結(jié)合工程建設(shè)環(huán)境、施工技術(shù)經(jīng)濟等關(guān)鍵指標進行開展，該文針對廣東省某快速路路基工程，采用水泥攪拌樁結(jié)合土工格柵的加固形式，并且進行路基斷面的變形分析。結(jié)果表明，加固方式能夠加大改善軟土路基的側(cè)向變形和豎向沉降，軟土路基15年工后沉降最大值出現(xiàn)在路基中心線處，其值為6.2 cm；路基邊坡坡腳位置存在最大水平位移，為1.6 cm，路基整體穩(wěn)定性得到了改善，該文所作研究能夠為類似項目提供理論參考。