公路軟土地基處理技術(shù)及模擬分析

■王俊海 ■中冶成都勘察研究總院有限公司，四川 成都 610023

1 工程概況及設(shè)計(jì)要求

福建某高速公路沿線地質(zhì)、地貌條件比較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)存在不少不良地質(zhì)路段，部分路段為軟基路堤。穩(wěn)定性和沉降量是軟土地基路堤設(shè)計(jì)中最為重要的兩項(xiàng)指標(biāo)，軟基路堤處治主要解決路堤的穩(wěn)定與沉降問題。公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求路堤施工期路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.2，運(yùn)營期穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.4，工后沉降小于0.2 米。根據(jù)軟基路堤的設(shè)計(jì)原則和常用的軟基處治方法，結(jié)合本工程軟土地基的具體情況，提出采用強(qiáng)夯置換+加筋+填土預(yù)壓地基處理方案，該方案不涉及征用土地的問題，對環(huán)境的影響也較小。本文將采用有限元方法，通過有限元模擬軟件計(jì)算獲取各級(jí)荷載在不同時(shí)間的垂直位移(沉降)、水平位移和孔隙水壓力以及各點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變，代入簡化畢曉普法方程即可求得各時(shí)期的安全系數(shù)［2］。

2 計(jì)算參數(shù)

軟土的分布及軟土的基本性質(zhì)是軟土地基處治的先決條件，有限元模擬的軟土基地參數(shù)需要通過工程地質(zhì)勘察獲得，必要時(shí)還應(yīng)對各段軟土采用靜力觸探與現(xiàn)場挖坑相結(jié)合的方法進(jìn)行軟基分布范圍及厚度的驗(yàn)證，同時(shí)選取典型路段進(jìn)行取樣試驗(yàn)，補(bǔ)充完善相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)［3］。現(xiàn)場調(diào)查表明，該道路四段軟土其性狀基本類似，軟土層沒有明顯的分層特性，深度在2.5～6.0m，含水率在37%～56%，孔隙比在1.02～1.56，濕密度在1.68～1.84g/cm3，比重在2.64～2.68。而且地基土天然含水量呈上大、中小、下大的現(xiàn)象，所有土層天然含水量均大于塑限但小于液限，孔隙比大于1.0，表明地基土為軟粘土。由固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知，各土層的壓縮模量為1～3，具有高壓縮性，滲透系數(shù)為10-7m/s 量級(jí)，透水性好于淤泥。三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，土層的快剪強(qiáng)度指標(biāo)從上至下逐漸增加，強(qiáng)度指標(biāo)略高于海相沉積軟粘土(沿海軟粘土)和湖相沉積軟粘土。因此，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，可將地基土層分為軟土層和風(fēng)化巖石層建模。根據(jù)前述試驗(yàn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)則采用的土體參數(shù)見表1。

表1 有限元分析的計(jì)算參數(shù)

3 軟土地基地基處理方案的模擬分析

強(qiáng)夯置換+加筋+填土預(yù)壓地基處理方案，采用有限元軟件對其變形特性進(jìn)行計(jì)算分析［4］。強(qiáng)夯置換是采用強(qiáng)夯將碎石打入軟土中，從而提高路基的強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)，本路段的置換深度可達(dá)2.5m。強(qiáng)夯設(shè)計(jì)采用直徑為2m 的錘，間距4.5m，按梅花形布置，強(qiáng)夯置換層參數(shù)為:內(nèi)聚力C=19.6Kpa，內(nèi)摩擦角φ=23.6。根據(jù)工程的具體情況，將地基分為軟土層和風(fēng)化巖石層兩層土層，考慮施工穩(wěn)定性，在路堤底部鋪設(shè)8 層土工格柵，建立如圖1 所示的有限元分析模型。土體的加載按規(guī)劃的填土加載曲線進(jìn)行。路堤特征點(diǎn)的沉降及剩余沉降量見表2，穩(wěn)定性安全系數(shù)的變化如圖2 所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

圖2 施工期穩(wěn)定安全系數(shù)隨時(shí)間的變化

表2 特征點(diǎn)不同時(shí)間沉降及剩余沉降

由表2 可知，路基填筑施工期結(jié)束時(shí)，地基完成沉降95%以上，剩余沉降在2cm 左右，工后90 天沉降基本結(jié)束，滿足規(guī)范對沉降的要求。這表明強(qiáng)夯置換碎石的處治效果明顯。

由圖2 可知，路基填筑施工期的安全系數(shù)均大于1.2，運(yùn)營期安全系數(shù)大于1.4，滿足規(guī)范要求，這表明采用工程是安全的。因此，本工程采用強(qiáng)夯置換法進(jìn)行處治是合適的。

4 結(jié)論

地基處理的目的是采用各種技術(shù)措施對地基土進(jìn)行加固，改善地基土的工程特性，有效控制路基的穩(wěn)定性和沉降。軟土地基處理不當(dāng)容易導(dǎo)致路堤的較大變形和失穩(wěn)問題，造成道路的過早破壞，需要結(jié)合工程的具體情況，通過對多種方案的對比分析，選擇合適的處置方案。采用有限元軟件可以模擬軟土路堤的變形特性，通過計(jì)算路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)和沉降量對地基處理技術(shù)的可行性進(jìn)行判斷，為公路工程軟土地基的設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

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