唐彬凱

摘要 基于軟土地基對(duì)高速公路建設(shè)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(jiǎn)單介紹，根據(jù)工程地質(zhì)條件特點(diǎn)，選擇最終的軟土地基加固方案，即強(qiáng)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(yàn)證了強(qiáng)夯碎石墩加固方案的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，K47+575～K48+314樁號(hào)段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范圍內(nèi)，沉降量在15.47～83.24 mm范圍內(nèi)，均在規(guī)定要求范圍內(nèi)。通過強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案的應(yīng)用，顯著提高了軟土地基的穩(wěn)定性，有利于降低高速公路路基的沉降量。

關(guān)鍵詞 高速公路；地基施工；穩(wěn)定性；地基加固；強(qiáng)夯碎石墩

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0150-03

0 引言

現(xiàn)代工程領(lǐng)域存在多種軟土地基加固技術(shù)，如強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯碎石墩法、換填法等，每種方法具有不同特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)所。高速公路軟土地基處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，結(jié)合相關(guān)規(guī)定要求、施工技術(shù)水平等多種因素選擇最佳的軟土地基加固處理技術(shù)，為高速公路后續(xù)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(duì)提升現(xiàn)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(shè)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(hào)為K25+124～K71+381，為雙向六車道。其中，在K47+575～K48+314樁號(hào)段范圍內(nèi)，由于工程靠近河流，周邊土壤含水量較高，內(nèi)部孔隙較大，導(dǎo)致該樁號(hào)段內(nèi)的土質(zhì)條件較差，屬于軟弱土質(zhì)，軟土地基長度為739 m。根據(jù)以往多年工程經(jīng)驗(yàn)可知，由于土質(zhì)條件較差，若未進(jìn)行任何處理，很容易導(dǎo)致該樁號(hào)段的路基建設(shè)與使用時(shí)出現(xiàn)較大的沉降問題，對(duì)車輛行駛帶來嚴(yán)重安全隱患。所以，該工程K47+575～K48+314樁號(hào)段進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的方式對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，以提升地基強(qiáng)度，避免地基后續(xù)出現(xiàn)明顯的沉降問題。

1.2 地質(zhì)條件

通過對(duì)某高速公路軟土地基段地質(zhì)條件的勘查可以發(fā)現(xiàn)，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(zhì)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(nèi)部有機(jī)質(zhì)含量較高，并含有少量貝殼，層厚在0.40～0.60 m范圍內(nèi)。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(nèi)。④粉質(zhì)黏土層，呈灰黑色，韌性中等，切面光滑，無搖振反應(yīng)，層厚在2.50～12.50 m范圍內(nèi)。⑤礫砂層，呈灰黃色，主要成分包括石英石、長石等，部分區(qū)域存在少量卵石，級(jí)配優(yōu)良，層厚在0.80～9.50 m范圍內(nèi)。

2 某高速公路軟土地基處理方案的選擇

根據(jù)某高速公路K47+575～K48+314樁號(hào)段的地質(zhì)勘察結(jié)果，結(jié)合多種軟土地基加固方案的對(duì)比，最終選擇強(qiáng)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(xiàn)場(chǎng)，清除地表的碎石、樹枝等雜質(zhì)，使地表保持潔凈，然后以此為基礎(chǔ)，在地基表面鋪設(shè)一層1～2 m的砂石，以此構(gòu)建出強(qiáng)度相對(duì)較高的墊層，為后續(xù)施工活動(dòng)的進(jìn)行打下良好基礎(chǔ)。

（2）通過放樣測(cè)量的方式，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，確定出強(qiáng)夯置換碎石墩的位置、標(biāo)高等信息，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)的適當(dāng)位置做出標(biāo)記。

（3）根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，將起重機(jī)移動(dòng)到相應(yīng)位置，并調(diào)節(jié)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(cè)量強(qiáng)夯之前夯錘的提升高度。

（5）將夯錘自由下落，對(duì)地面夯點(diǎn)進(jìn)行夯擊，每次夯擊結(jié)束后，測(cè)量夯坑的深度。若夯坑深度過大，導(dǎo)致夯錘抬起較為困難，則應(yīng)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(shù)量。反復(fù)進(jìn)行該操作，直到夯擊次數(shù)、夯坑深度等指標(biāo)達(dá)到要求為止，以此得到一個(gè)墩坑[2]。

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

（7）對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)整平處理，通過低能量滿夯將地表松土夯實(shí)，然后以水準(zhǔn)儀為主要工具，測(cè)量地基松土層的高程。

（8）按照分層的方式鋪設(shè)墊層，每層厚度應(yīng)控制在500 mm以上，每層攤鋪后立即壓實(shí)，以提升墊層的密實(shí)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(gòu)建

為了了解強(qiáng)夯置換碎石墩在某高速公路軟土地基加固中的應(yīng)用效果，該文采用有限元分析的方式，對(duì)加固處理后的路基水平位移與沉降量的變化情況進(jìn)行分析。模擬分析前，應(yīng)先將土層厚度、墩體深度等參數(shù)錄入Phase2軟件中，由該軟件自動(dòng)構(gòu)建出地基有限元模型[3]。實(shí)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(jié)構(gòu)構(gòu)建模型，不僅難度較高，而且效率較低，不利于后續(xù)模擬分析的進(jìn)行。所以，為了方便研究，該文作出以下假設(shè)：研究區(qū)域土層完全一致，墩體材料均勻分布[4]。其中，主要參數(shù)包括：地基寬設(shè)置為7.5 m；地基中心線高設(shè)置為7.88 m；地基邊坡坡度設(shè)置為1∶1.5；斜坡段軟土地基厚度設(shè)置為6 m；斜坡坡度設(shè)置為1∶10；墩體孔徑設(shè)置為1.4 m；相鄰兩墩體間距設(shè)置為2.5 m；墩體深度設(shè)置為6 m；碎石墊層厚度設(shè)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(jù)某高速公路K47+575～K48+314樁號(hào)段具體情況，分別針對(duì)水平段與斜坡段設(shè)置了兩種路基方案：水平段未處理方案與強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案；斜坡段未處理方案與強(qiáng)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(chǔ)，模擬分析地基水平位移的分布情況。結(jié)合仿真分析可知，在水平段路基方面，未采用加固方案時(shí)，地基兩側(cè)水平位移分布情況呈左右對(duì)稱趨勢(shì)，左側(cè)地基逐漸向左側(cè)位移，右側(cè)地基逐漸向右側(cè)位移，位移峰值為41.95 mm，位于上下坡腳。采用強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案時(shí)，地基水平位移分布趨勢(shì)與未加固時(shí)基本相同，僅數(shù)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(dá)到了40.52%。同時(shí)，在碎石墩處，水平位移基本與周邊土體相同。由此表明，強(qiáng)夯置換碎石墩對(duì)水平段軟土地基具有良好的加固效果。強(qiáng)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(shí)，地基兩側(cè)水平位移分布情況并不相同；相對(duì)于坡度較高位置，坡度較低位置處水平位移分布區(qū)更大，且水平位移量更高；其中，峰值位于下坡腳，數(shù)值約為155.7 mm。采用強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案時(shí)，地基水平分布趨勢(shì)與未加固時(shí)基本相同，僅數(shù)值上存在一定差異，位移峰值約為34.3 mm；相對(duì)于未加固時(shí)，強(qiáng)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(shí)，在碎石墩處，水平位移基本與周邊土體相同。由此表明，強(qiáng)夯置換碎石墩對(duì)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(chǔ)，模擬分析地基沉降量分布情況。通過仿真實(shí)驗(yàn)可知，在水平段路基方面，未采用加固方案時(shí)，地基兩側(cè)沉降量分布情況呈左右對(duì)稱趨勢(shì)，越靠近中心，地基沉降量越大，峰值約為101.47 mm。同時(shí)，在路基外側(cè)靠近坡腳，均存在一定凸起，凸起量約為16.25 mm，遠(yuǎn)低于地基上的沉降量。采用強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案時(shí)，地基沉降量分布趨勢(shì)與未加固時(shí)基本相同，僅數(shù)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(cè)凸起范圍較大，數(shù)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(dá)到了41.83%。同時(shí)，在碎石墩處，沉降量基本與周邊土體相同。由此表明，強(qiáng)夯置換碎石墩對(duì)水平段軟土地基具有良好的加固效果。強(qiáng)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(shí)，地基兩側(cè)沉降量分布情況并不相同，相對(duì)于坡度較高位置處，坡度較低位置處沉降量分布區(qū)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(shù)值約為138.69 mm。采用強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案時(shí)，地基水平分布趨勢(shì)與未加固時(shí)基本相同，僅數(shù)值上存在一定差異，位移峰值約為59.40 mm，相對(duì)于未加固時(shí)，強(qiáng)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(shí)，在碎石墩處，沉降量基本與周邊土體相同。由此表明，強(qiáng)夯置換碎石墩對(duì)斜坡段軟土地基具有良好的加固效果。

4 應(yīng)用分析

采用強(qiáng)夯置換碎石墩對(duì)某高速公路K47+575～K48+314樁號(hào)段軟土地基進(jìn)行加固，并分別設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)該樁號(hào)段內(nèi)地基的水平位移與沉降量。通過對(duì)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)際水平位移與沉降量的監(jiān)測(cè)，以此判斷軟土地基的穩(wěn)定性是否符合規(guī)定要求。通過對(duì)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，K47+575～K48+314樁號(hào)段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范圍內(nèi)，沉降量在15.47～83.24 mm

范圍內(nèi)，均在規(guī)定要求范圍內(nèi)。由此表明，通過強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案的應(yīng)用，顯著提高了某高速公路K47+575～K48+314樁號(hào)段軟土地基的穩(wěn)定性，有利于公路后續(xù)使用。

5 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代高速公路軟土地基進(jìn)行加固處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件特點(diǎn)制定出相應(yīng)的加固方案，并以此為基礎(chǔ)，采用有限元分析的方式對(duì)加固方案應(yīng)用效果予以分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷加固方案是否達(dá)到預(yù)期效果。通過對(duì)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)：K47+575～K48+314樁號(hào)段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范圍內(nèi)，沉降量在15.47～83.24 mm范圍內(nèi)，均在規(guī)定要求范圍內(nèi)。通過強(qiáng)夯置換碎石墩加固方案的應(yīng)用，顯著提高了某高速公路K47+575～K48+314樁號(hào)段軟土地基的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]王才進(jìn)，武猛，楊洋，等.基于CPTU測(cè)試的高速公路擴(kuò)建地基軟土參數(shù)空間變異性研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2023（2）： 197-208.

[2]趙艷玲. 京哈高速公路綏中（冀遼界）至盤錦段改擴(kuò)建工程軟土地基處理方案比選[J]. 北方交通， 2023（6）： 25-29+34.

[3]劉艷. 公路軟土地基沉降監(jiān)測(cè)與穩(wěn)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(wěn)定性分析[J]. 山西建筑， 2020（21）： 113-114.