公路軟土地基處理技術及模擬分析

■王俊海 ■中冶成都勘察研究總院有限公司，四川 成都 610023

1 工程概況及設計要求

福建某高速公路沿線地質、地貌條件比較復雜，區內存在不少不良地質路段，部分路段為軟基路堤。穩定性和沉降量是軟土地基路堤設計中最為重要的兩項指標，軟基路堤處治主要解決路堤的穩定與沉降問題。公路路基設計規范要求路堤施工期路堤穩定性安全系數大于1.2，運營期穩定性安全系數大于1.4，工后沉降小于0.2 米。根據軟基路堤的設計原則和常用的軟基處治方法，結合本工程軟土地基的具體情況，提出采用強夯置換+加筋+填土預壓地基處理方案，該方案不涉及征用土地的問題，對環境的影響也較小。本文將采用有限元方法，通過有限元模擬軟件計算獲取各級荷載在不同時間的垂直位移(沉降)、水平位移和孔隙水壓力以及各點的應力、應變，代入簡化畢曉普法方程即可求得各時期的安全系數［2］。

2 計算參數

軟土的分布及軟土的基本性質是軟土地基處治的先決條件，有限元模擬的軟土基地參數需要通過工程地質勘察獲得，必要時還應對各段軟土采用靜力觸探與現場挖坑相結合的方法進行軟基分布范圍及厚度的驗證，同時選取典型路段進行取樣試驗，補充完善相關設計參數［3］。現場調查表明，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。由固結試驗結果可知，各土層的壓縮模量為1～3，具有高壓縮性，滲透系數為10-7m/s 量級，透水性好于淤泥。三軸試驗結果表明，土層的快剪強度指標從上至下逐漸增加，強度指標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，在進行有限元分析時，可將地基土層分為軟土層和風化巖石層建模。根據前述試驗，結合經驗則采用的土體參數見表1。

表1 有限元分析的計算參數

3 軟土地基地基處理方案的模擬分析

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

圖1 有限元計算模型

圖2 施工期穩定安全系數隨時間的變化

表2 特征點不同時間沉降及剩余沉降

由表2 可知，路基填筑施工期結束時，地基完成沉降95%以上，剩余沉降在2cm 左右，工后90 天沉降基本結束，滿足規范對沉降的要求。這表明強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均大于1.2，運營期安全系數大于1.4，滿足規范要求，這表明采用工程是安全的。因此，本工程采用強夯置換法進行處治是合適的。

4 結論

地基處理的目的是采用各種技術措施對地基土進行加固，改善地基土的工程特性，有效控制路基的穩定性和沉降。軟土地基處理不當容易導致路堤的較大變形和失穩問題，造成道路的過早破壞，需要結合工程的具體情況，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，通過計算路堤穩定性安全系數和沉降量對地基處理技術的可行性進行判斷，為公路工程軟土地基的設計與施工提供指導。

［1］趙麗芳，鄒恩杰，羅烈日.黃土地區高填方路堤穩定性數值模擬研究［J］.公路，2013，58(12):22 -26.

［2］馮忠居，曹文海.軟弱地基上高填方路堤沉降觀測及數值分析［J］.蘭州理工大學學報，2013，39(2):126 -129.

［3］逢成萬，丁海峰，袁啟旺.高填方路堤沉降特性數值模擬分析［J］.市政技術，2010，28(3):141 -143.

［4］徐平，樂金朝，劉忠玉，等.高填方路堤強夯效果的現場檢測及三維有限元模擬［J］.工程地質學報，2009，17(2):268 -273.