淺層軟弱土地基片石夯壓加固法的有限元分析

蘇春暉

(西南交通大學,四川成都610031)

昆明昆洛路改擴建工程某段為以耕植土為主的淺層軟弱土路基。地表耕植土厚度0.5～1.5m,其下約5m為沖洪積、殘積粉質黏土、黏土層。耕植土等軟弱土多為軟塑-可塑狀,雨季浸泡后則呈軟塑-流塑狀態,孔隙比、壓縮性大,承載力低(80～110 kPa),屬于典型的軟弱土,不能滿足路基設計要求。在道路、交通及土木工程中,通常采用換填法處理耕植土等淺層軟弱土。昆洛路改擴建工程中淺層軟弱土面積達80×104m2。同時,工程時間短、工程量大、地質條件復雜、施工難度大。軟基淺層處理采用常規的換填法難以達到工期和環保要求。根據昆洛路軟弱土分布特點,提出用片石夯壓加固法處理,既經濟節約又取得了理想的處理效果。

片石夯壓加固法是在不清除表層耕植土條件下,用沖擊壓路機夯壓片石層,在置換、擠密、壓實作用下,片石強行擠入軟土,在夯壓影響深度范圍內,軟土強度增強,抗變形能力提高,形成復合地基,構成滿足要求的承載層。

1 片石夯壓加固法

昆洛路改擴建工程淺層軟弱土片石夯壓加固法的工藝流程為:清除地表植被※鋪設片石層※建立測量標記和夯壓定位標記※沖擊壓路機夯壓※按設計夯壓遍數和控制標準進行中間測量和終止夯壓測量※終止夯壓※夯壓面修整。片石材料采用取材便利、質堅、不易風化、水穩性好的石灰巖石材。片石抗壓強度≥30MPa,粒徑30～40 cm,以人工手擺工藝施工,鋪設厚度40～70 cm。沖擊壓路機沖擊滾動夯壓片石的過程如圖1所示。

圖1 片石夯壓加固法示意

沖擊壓路機是兼具夯擊和碾壓兩種壓實功能的新型壓路機[1～3]。工作狀態的沖擊壓路機的沖擊能量主要由夯擊能、平動能量和轉動慣性能量三部分組成。其中由沖擊輪內外接圓半徑差產生的夯擊能是沖擊壓路機與常規靜態壓路機的根本區別所在。夯擊產生的壓力波向下傳播,能夠獲得比靜壓更大的影響深度。夯擊能E1和沖擊能量E的計算公式為(參見圖1):

式中:M為沖擊輪質量,t;R為沖擊輪外接圓半徑,m;r為沖擊輪內接圓半徑,m;V為沖擊輪水平速度,m·s-1;J為沖擊輪轉動慣量,t·m2;ω為沖擊輪轉動角速度,rad·s-1。

沖擊壓路機的夯擊影響深度可參考強夯影響深度計算公式,即修正的Menard公式獲得:

式中:α為修正系數,一般濕陷性黃土取0.34～0.5,高填方土取0.6～0.8,砂性土和雜土取0.45～0.6。

昆洛路施工使用3HCT28型沖擊壓路機(又稱“高能量滾動夯實機”),沖擊能量28 kJ,三邊形輪質量14.8 t,沖擊壓力600～2 500 kN,沖擊頻率2～2.5次·s-1,行走速度10～15 km·h-1。計算可得影響深度約為2～3m。

在實際應用中,沖擊壓路機的沖擊力和壓實深度除與沖擊輪接地時的速度、加速度和接觸時間有關外,還與被壓實體的彈塑性參數密切相關。被壓實體越堅硬,沖擊力越大,影響深度也會越深。昆洛路施工中采用片石夯壓加固法在軟弱的耕植土上鋪設片石層也起到了增大沖擊力和影響深度的效果。

2 片石夯壓加固法處理效果

通過采用鉆探、動力觸探測試、標準貫入試驗、鉆孔取樣、室內土工試驗對比勘察資料分析比較,得出:原地面下0～3m土體的物理力學性能變化顯著,孔隙比、壓縮系數、含水量、液性指數明顯變小,壓縮模量、承載力提高。處理效果如圖2所示[4]。

圖2 夯壓前后地基土的物理力學指標

3 片石夯壓加固法的靜態有限元模擬與分析

筆者用巖土工程/地下工程有限元程序PLAXIS 8.2版對耕植土直接壓實和鋪設片石壓實加固兩種壓實方法進行了計算對比。PLAXIS程序由荷蘭Delft等大學于1987年推出。其后經過歐美多所高校和研究機構的共同研究、開發和改進,已成為在歐美地區有著廣泛的應用并享有盛譽的針對巖土工程應用的有限元計算程序。

計算采用2維模型(圖3),模擬壓路機輪壓下與滾動軸線方向垂直平面的應力場與位移場狀態。土體采用MC本構模型。

圖3 片石加固法處理的PLAXIS模型(局部)

在向下壓實壓坑深度30 cm的情況下計算結果見圖4～圖6。

圖4 壓實作用下土體網格變形圖

計算表明,如果采用地表無片石鋪設直接壓實的方法,在壓坑30 cm的狀態下壓坑兩側地面顯著隆起,土體變形主要集中在壓坑周圍的地表附近深度0.5m范圍之內。在地表隆起的影響下,壓坑下約2m深度內有小規模塑性區出現。加大壓坑深度的計算表明,進一步增加壓實力的情況下,地表隆起更加嚴重,土體變形范圍仍集中在壓坑周圍的地表附近深度0.5m范圍之內。實踐也表明,在軟弱土場地使用大型壓路機或者其他壓力較大的機械是不可行的,不僅會造成機械輪陷而行走困難,壓坑周圍地表的隆起也會使表層土體變得更為疏松,反而難以起到壓實效果。根據應力計算結果,壓坑30 cm狀態約對應于輪重1 t·m-1。

圖5 壓實作用下土體總位移云圖

圖6 壓實作用下土體塑性點分布圖

地表鋪設片石壓坑深度30 cm狀態下(對應輪重約為10 t·m-1),由于地表片石層“硬殼”的存在,在壓路機作用下地表隆起情況得到顯著改善。從網格圖可以看出,在壓路機作用下片石嵌入擠密其下層耕植土軟弱層。更為重要的是,這層硬殼的嵌入擠密使得大功率壓路機在這種場地上的行走成為可能。從土體位移云圖和塑性區分布圖可以看到,壓實影響區范圍和深度明顯擴大,深度達到約4m。

結合前面夯擊作用下壓力波影響深度的分析,可以認為,采用沖擊壓路機施工的片石加固法對于淺層軟弱土路基是比較適用的。表面鋪設片石的淺層軟弱土在沖擊壓路機夯壓過程中能夠得到壓力波和靜壓兩種對淺層土的擠密壓實效果。選用沖擊能量不小于25 kJ的沖擊壓路機,鋪設片石,影響深度約3～4m。

昆洛路改擴建工程淺層軟弱土地基片石加固法處理后,進行了鉆探檢測,檢測結果表明,片石層與其下部軟土相互嵌固形成土石復合層,改善了軟土特性,提高了地基承載力和土體抗變形能力。原地面下0～3m土體的物理力學性能變化顯著,孔隙比、壓縮系數、含水量、液性指數明顯變小,壓縮模量、承載力提高。夯壓擠密有效深度4～5m。承載板試驗[4]顯示片石加固法處理后地基彎沉、回彈模量滿足設計要求。

4 路堤地基片石夯壓加固法處理效果的有限元分析

昆洛路改擴建工程為城市I級主干道,規劃紅線寬80 m,機動車雙向10車道,加非機動車道和人行道。設計荷載為城—A級,設計車速60 km·h-1。筆者模擬了片石加固處理后公路運營中,在行車荷載下的路堤工作狀態(圖7)。路堤填土高度1.5m。

PLAXIS有限元計算結果顯示,快車道行車荷載下路基最大位移約為27mm,慢車道行車荷載下最大位移約為20 mm,荷載下沉降滿足設計要求[5～8]。

圖7 運營工況下路堤總位移云圖

5 結 論

(1)地基表面鋪設片石層,采用沖擊壓路機夯壓的“片石加固法”是處理淺層軟弱土地基的經濟有效的一種方法。表面鋪設片石的淺層軟弱土在沖擊壓路機夯壓過程中能夠得到壓力波和靜壓兩種對淺層土的擠密壓實效果。片石加固法處理后,片石層與其下部軟土相互嵌固形成土石復合層,改善了軟土特性,提高了地基承載力和土體抗變形能力。

(2)沖擊壓路機的影響深度與其沖擊能量和地基土性質有關。本工程中模擬的表層0.5～1m耕植土情況下,采用片石加固法,原地面下0～3m土體的物理力學性能變化顯著,孔隙比、壓縮系數、含水量、液性指數明顯變小,壓縮模量、承載力提高。選用沖擊能量不小于25 kJ的沖擊壓路機,鋪設片石,影響深度約3～4m。

(3)在采用片石加固后的地基上填筑1.5m高的路堤,運營工況行車荷載下沉降滿足要求。

[1]賀杰.夯的發展——沖擊壓路機[J].交通世界,2002(7)

[2]交通部公路科學研究院.公路沖擊碾壓應用技術指南[M].人民交通出版社,2006

[3]鄂俊太.壓路機選型及壓實技術[M].人民交通出版社,1991

[4]梅益生.片石夯壓加固法在道路軟基處理中的應用[J].巖土工程界,2005(1)

[5]JTJ 071-98公路工程質量檢驗評定標準[S]

[6]JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范[S]

[7]JTJ 033-95公路路基施工技術規范[S]

[8]JTJ 051-93公路土工試驗規程[S]