摘要：為驗證就地固化技術(shù)應(yīng)用于濱海相軟土地區(qū)軟基處理的可行性，本文依托某濱海相公路建設(shè)項目，針對三種不同工況（淺層2m整體固化、淺層3m整體固化、淺層2m整體固化 水泥攪拌樁）的就地固化技術(shù)方案，開展三維有限元計算模擬和現(xiàn)場測試試驗研究，對比分析該類場地條件下采用不同加固方法的實施效果。研究結(jié)果表明：采用文中提出的三種加固方案均可滿足規(guī)范中路基工后沉降要求，增加整體固化厚度能有效減小路基工后沉降和差異沉降。加固工況3較加固工況1雖能顯著減少路基工后沉降，但在滿足相同變形控制要求的前提下，加固工況1的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢更加顯著。

關(guān)鍵詞：公路工程；軟土路基；就地固化技術(shù)；工后沉降

中圖分類號：U416.1+6""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）05?0243?04

Comparative Analysis of the Implementation Effect of In?situ Solidification of Subgrade in Coastal Soft Soil

ZHANG Zhiming， LAN Zihao

（Guangzhou Highway Engineering Group Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510180， China）

Abstract： In order to verify the feasibility of in?situ solidification technology applied to subgrade treatment in coastal soft soil， based on a coastal highway construction project， three?dimensional finite element simulation and on?site testing experimental were carried out for three different working conditions （shallow 2m overall solidification， shallow 3m overall solidification， shallow 2m overall solidification with cement mixing piles） of in?situ solidification technology schemes， and compared the implementation effects of different methods under the conditions of this type of site. The results indicate that the three reinforcement schemes proposed in the paper can meet the post construction settlement requirements of the subgrade in the specifications， and increasing the overall solidification thickness can effectively reduce the post construction settlement and differential settlement of the subgrade. Although reinforcement condition 3 can significantly reduce post construction settlement compared to reinforcement condition 1， the technical and economic advantages of reinforcement condition 1 are more significant under the premise of meeting the same deformation control requirements.

Key words： highway engineering; soft soil subgrade; in?situ solidification technology; post construction settlement

0 引言

我國華南沿海地區(qū)較多工程位于第四系發(fā)育區(qū)域，沉積有較深厚的海相、濱海相淤泥和淤泥質(zhì)軟土，在地質(zhì)上屬第四紀(jì)全新統(tǒng)Q4土層，這類土層深度普遍為20～60m，具有含水率高、壓縮性高、靈敏度高、滲透性低和承載力低等特點?[1?2]。濱海相淤泥軟土的特殊性、環(huán)境的多樣性導(dǎo)致影響路基固結(jié)變形和穩(wěn)定性的因素較多?[3]，公路在建成后短期內(nèi)極易出現(xiàn)較大的工后沉降和不均勻沉降。

目前軟土地基處理方法主要有擠密法、排水固結(jié)法、強夯法、粒料樁法、就地固化法、換填法以及復(fù)合地基加固等方法?[4?5]。其中，就地固化技術(shù)具有工期短、成本低、對軟土適應(yīng)性強、加固效果好等優(yōu)點?[6?8]。較多學(xué)者針對固化劑的選擇、固化試驗效果、現(xiàn)場固化施工技術(shù)等進(jìn)行研究，取得了一定成果。徐日慶?[9]等設(shè)計一種二灰為基礎(chǔ)的濱海相軟土淺層固化劑，從反應(yīng)機(jī)理和微觀形態(tài)驗證了固化劑的加固效果。也有學(xué)者?[10?13]針對不同固化劑摻量、配比下的固化效果進(jìn)行研究。瑞賈守?[14]、劉佳鈺?[15]等針對灘涂軟基的就地固化技術(shù)提出相應(yīng)施工工藝流程，證實施工固化效果良好。陳永輝?[16]針對ALLU強力攪拌就地固化設(shè)備、固化劑供料設(shè)備以及就地固化技術(shù)應(yīng)用范圍和設(shè)計理論進(jìn)行了系統(tǒng)研?究。

由已有研究成果來看，就地固化技術(shù)雖已逐步應(yīng)用于公路工程軟土路基的處置，但該技術(shù)目前仍處于經(jīng)驗積累階段，針對就地固化效果的有限元計算模擬及現(xiàn)場沉降試驗檢測等研究較少?[17?18]。本文以廣東某濱海一級公路新建項目為依托，針對軟土路基采取就地固化處置、就地固化與水泥攪拌樁相結(jié)合的處置方案進(jìn)行比較分析，采用三維有限元法計算固化地基工后沉降量，并通過試驗段現(xiàn)場平板載荷試驗檢驗就地固化技術(shù)用于濱海相軟土地區(qū)軟基處理的可行性。

1 項目概況

1.1 工程地質(zhì)條件

本項目 K19 + 768～K19 + 980 段設(shè)計填土高度2.11～4.31m，處于現(xiàn)狀池塘位置，塘底存在表層淤泥。根據(jù)地質(zhì)鉆孔，深層軟土埋深 3～12.9m，厚 3.6～11.4m，深灰或灰黑色，飽和，流塑，含有少量機(jī)質(zhì)，局部含細(xì)砂，孔隙比（）為 1.51，含水率（）為 54.73%，飽和度（_r）為 95.03%，壓縮模量（_s）為 2.68MPa。

項目沿線地質(zhì)調(diào)查采用鉆孔檢測，對所取芯樣的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗檢測，不同土質(zhì)類型的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。

1.2 地基加固方案

結(jié)合項目沿線地質(zhì)條件，針對軟土路基處理擬采取淺層2m整體固化（工況1）、淺層3m整體固化（工況2）和淺層2m整體固化 水泥攪拌樁（工況3）三種加固工況。

其中，工況3試驗段在對表層淤泥及淤泥下臥較軟層采用就地固化處理完成后，進(jìn)行整平場地，施打水泥攪拌樁。水泥攪拌樁在就地固化處理未完全硬化但能夠上機(jī)械時就進(jìn)行水泥攪拌樁施工，水泥攪拌樁應(yīng)與就地固化層頂齊平，樁體嵌入固化層，形成樁、固化層共同受力整體。

2 有限元法建模分析

本次分析計算模型采用修正莫爾?庫倫模型，該模型劃分網(wǎng)格后計算單元數(shù)量為23"667個。三維有限元模型中的巖土地層信息主要根據(jù)勘察資料中鉆孔CP3ZK?16、CP3ZK?17確定，根據(jù)勘察報告資料，各地層巖土力學(xué)計算參數(shù)如表1所示。

為減少計算量，根據(jù)道路中線劃分，對稱選取一半路基與地層進(jìn)行分析，最終確定分析模型的大小為31m × 6m × 35m（長 × 寬 × 高）。假定通過的運輸卡車最大載重小于 50t，日平均通過量約 2 000 輛，考慮路面板跨度、覆土層厚度、動力系數(shù)及通車頻率，換算的最大汽車輪壓等效均布荷載約 20kPa（作用于路面結(jié)構(gòu)層）。

三種工況計算模型如圖1所示。

3 不同工況加固效果分析

3.1 不同工況路基沉降效果分析

本文使用精度（AP）、召回率（Recall）、全類平均精確度（mAP）及全類平均損失率（mAR）作為路面病害自動識別性能的評價指標(biāo)。其中，精度用于反映對道路表面病害預(yù)測的準(zhǔn)確性。圖2為路面在20kPa均布荷載作用下路基與土體豎向沉降云圖。

從圖2可看出，路基最大沉降量主要集中在路基中部，最小沉降量集中在路基邊緣。不同工況下路基最大沉降量、最小沉降量以及橫斷面差異沉降量模擬計算統(tǒng)計結(jié)果見表2和圖3。

結(jié)合表2和圖3分析可知：

（１）根據(jù)現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》?[19]要求，高速公路、一級公路路基工后沉降不大于300mm。模擬計算工況1沉降量最大為169.8mm，符合現(xiàn)行規(guī)范要?求。

（２）工況2較工況1最大沉降減少9.8%，沉降差減少8.4%，土體加固深度增大，有利于控制土體沉降；工況3較工況1最大沉降減少44.8%，沉降差減少50.6%，說明水泥攪拌樁能夠有效降低土體沉降，加固效果相對更好，但施工復(fù)雜且成本較高。

3.2 不同工況加固效果應(yīng)力狀況分析

路基與土體主應(yīng)力云圖如圖4所示。

工況1計算的固化層最大主應(yīng)力為 243kPa，位于固化層邊緣底部；工況2計算的固化層最大主應(yīng)力為 381kPa，位于固化層邊緣底部；工況3計算的水泥攪拌樁樁頂固化層應(yīng)力范圍為 200～ 300kPa，樁底土層應(yīng)力范圍為 300～ 400kPa，上部荷載主要通過水泥攪拌樁傳遞至下部土層，而非樁間土層。工況1與工況2土層主應(yīng)力由上至下逐步增加，工況3則由水泥攪拌樁傳遞大部分荷載，其主應(yīng)力主要集中于樁兩端土層，有效降低土體所受應(yīng)力，起到良好土體加固效果。

4 試驗段實施及效果評價

4.1 試驗段實施方法

根據(jù)已設(shè)計的三種工況分別布設(shè)100m試驗段。強力攪拌就地固化按每塊區(qū)域劃分尺寸為5m 6m，并根據(jù)不同工況的處理厚度計算固化劑用量的配比，采用固化劑自動定量供料系統(tǒng)設(shè)置固化劑含量。

強力攪拌就地固化采用挖機(jī)液壓驅(qū)動的立體攪拌設(shè)備，每臺設(shè)備有2個攪拌頭按合理的角度對稱分布在連接桿和噴嘴的兩側(cè)，對土體進(jìn)行直插式上下強力攪拌，直至達(dá)到固化設(shè)計深度，通常每個點位上下攪拌次數(shù)不小于2次。

攪拌設(shè)備反向運行緩慢提升攪拌并噴射固化劑，攪拌提升或下降的速率控制在10～20m/s，固化劑的噴料速率控制在100～250kg/min（漿劑）。

攪拌過程定位系統(tǒng)實時記錄攪拌頭全過程，為保證固化范圍攪拌全覆蓋，就地固化系統(tǒng)安裝有攪拌過程定位和記錄系統(tǒng)，以控制固化全過程，如圖5所示。

4.2 實施效果檢測

試驗段實施完成并經(jīng)養(yǎng)生14天后，分別對三種工況進(jìn)行復(fù)合地基（單樁）平板荷載試驗，現(xiàn)場檢測結(jié)果如表3所列。

試驗段現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，三種工況均可滿足規(guī)范?[17]中路基工后沉降要求，且就地固化深度增加1m后，最大沉降量減少了22%，說明通過增加整體固化厚度，有利于減小路基沉降和控制差異沉降。采用這種復(fù)合地基處理方式雖有效減少路基沉降，但同時會增加工程經(jīng)濟(jì)成本。

5 結(jié)論

本文針對濱海相軟土路基加固問題，采用有限元計算與現(xiàn)場試驗檢測方法對不同工況的加固效果進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（１）模擬計算與現(xiàn)場試驗檢測結(jié)果均表明，采用文中三種加固工況的工后沉降均符合設(shè)計規(guī)范要求，與水泥攪拌樁復(fù)合地基加固方法相比，軟基就地固化方法具有更加顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

（２）模擬計算得到的工況2較工況1最大沉降量降低9.8%，現(xiàn)場平板載荷試驗發(fā)現(xiàn)工況2較工況1承載力特征值對應(yīng)沉降量降低22%，說明增加地基整體加固厚度，雖然有利于減小路基沉降，但地基變形控制效果并不會隨著加固深度增加而顯著增強，實際工程應(yīng)用應(yīng)多考慮工程特點和建設(shè)成本，合理設(shè)置地基加固深?度。

（３）海相深厚軟土路基采用就地固化處置方法技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，有利于廢棄資源的就地循環(huán)利用，具有良好的工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭剛， 周海祚. 復(fù)合地基極限承載力與穩(wěn)定研究進(jìn)展[J]. 天津大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)與工程技術(shù)版） ， 2020， 53（7）： 661?673.

[2]梁仕華， 戴君. 中山港地區(qū)軟土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計分析[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2016， 33（3）： 81?87.

[3]黃灝. 華南濱海環(huán)境水泥固化軟土的耐久性及其強度劣化機(jī)理試驗研究[D]. 廣州： 廣東工業(yè)大學(xué)， 2022.

[4]頓暑杰. 包茂高速 （粵境段） 軟土路基穩(wěn)定性分析[D]. 重慶： 重慶交通大學(xué)， 2014.

[5]陳春葓. 軟土路基的處理方法研究[J]. 上海建材， 2022（2）： 41?45.

[6]沈政， 陳龍， 陳永輝， 等. 灘涂地區(qū)軟土就地固化技術(shù)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2021， 21（16）： 6815?6822.

[7]周海龍， 申向東. 土壤固化劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J]. 材料導(dǎo)報， 2014， 28（9）： 134?138.

[8]劉佳鈺， 翟祥軍， 陳旭東， 等. 原位固化技術(shù)處理深厚淤泥軟基的可行性分析?沉降變形及下臥層承載力分析[J]. 西北水電， 2020（6）： 48?51.

[9]徐日慶， 王旭， 文嘉毅， 等. 淺層淤泥質(zhì)土固化劑[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報， 2019， 53（7）： 805?811.

[10]Kolias S， Kasselouri?Rigopoulou V， Karahalios A. Stabilisation of clayey soils with high calcium fly ash and cement[J]. Cement and Concrete Composites， 2015， 27（2）： 301?313.

[11]Pratiwi A Y， Prasetia I， Perina Y A， et al. Stabilization of soft soil using industrial waste[C]. //IOP Conference Series Earth and Environ-mental Science， 2021， 758（1）.

[12]徐亮， 唐彤芝， 白蘭蘭， 等. 就地固化技術(shù)處理淺層軟土的應(yīng)用及機(jī)理研究[J]. 水利水運工程學(xué)報， 2021（2）： 109?116.

[13]董博聞， 王修山， 周恒宇. 應(yīng)用NS?SL型土壤固化劑固化淤泥的路用性能試驗研究[J]. 公路， 2021， （8）： 13?17.

[14]賈守福， 王曉華， 陶潤禮， 等. 原位固化技術(shù)處理潮間帶灘涂淤泥軟基工藝分析[J]. 港工技術(shù)， 2019， 56（4）： 104?108.

[15]劉佳鈺， 翟祥軍， 陳旭東， 等. 原位固化技術(shù)處理深厚淤泥軟基的可行性分析?沉降變形及下臥層承載力分析[J]. 西北水電， 2020（6）： 1006?2610.

[16]陳永輝， 陳庚， 高世虎， 等. 軟土地基就地固化技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用[C]. //2019巖土工程西湖論壇論文集. 2018： 388?418.

[17]江蘇路業(yè)新材料有限公司. 抗水性自修復(fù)新型筑路材料研究及應(yīng)用[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保， 2022， 18（S1）： 85?87.

[18]郭仕鵬， 趙明哲， 李浩然， 等. 低碳復(fù)合固化劑固化工程廢土配比優(yōu)化設(shè)計及機(jī)理分析[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保， 2023， 19（4）： 121?126.

[19]中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司. 公路路基設(shè)計規(guī)范[M]. 北京： 人民交通出版社， 2015.