環杭州灣地區厚覆蓋層橋頭路基不同處理方法的效果

吳勇強，李秉宜*，黃筱璐，錢 彬，賀新良

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，巖土工程科學研究所，南京 210098；2.嘉興市交通投資集團有限責任公司，嘉興 314000；3.南京水利科學研究院巖土工程研究所，南京 210024；4.保利長大工程有限公司，廣州 510620)

環杭州灣地區是長江三角洲地區經濟體系中的重要組成部分，而隨著經濟的快速發展，道路建設問題也迫在眉睫，但杭州灣地區上部分布厚層沖海積粉土、粉砂，中下部分布海相軟土，壓縮性高，性質差。通車多年公路路段調研中發現，橋頭路段線形差異較大，不均勻沉降較為嚴重，路基和橋臺銜接部分裂縫和損壞，并有不可逆加深的趨勢，橋頭跳車現象嚴重，而且現場的情況復雜多變，應采用何種地基處理方式更為適用經濟尚不得知。

對于雙層地基的特性，學者們已開展了較多研究。如李小勇等[1]、王丙乾等[2]，利用概率統計方法，對雙層地基的固結、空間概率和沉降特性進行研究；徐光黎等[3]通過廣泛的資料收集和分析，基于室內模型試驗、離心機實驗和大型原位試驗結果，系統地分析了復合地基的各種破壞模式Jeong-Seon[4]采用軸對稱有限元分析方法，研究上覆砂土下臥軟土載荷傳遞機理；彭邦陽等[5]建立復合雙層地基極限承載力的計算方法和模型；問延熙等[6]通過是室內試驗研究荷載面積下硬殼層應力擴散作用以及硬殼層的封閉作用，總結了雙層地基承載與變形特性；經緋等[7]、劉光學[8]分別通過現場試驗、室內模型試驗與數值模擬研究雙層地基的變形特征，證明沉降變形量與硬殼層度負相關，與軟土層厚度正相關；周駿[9]、馮興等[10]、毛成琦[11]，利用有限元方法，對上下硬下軟地基的受力與變形特性進行分析。曾長賢等[12]針對高速路段的雙層軟土地基，試驗段采用預應力管樁、旋噴樁和強夯等處理方式加固地基不同部位，通過原位測試得到各處理方式下地基的變形特性，對不同處理方式的加固效果進行研究。

可見，對于上覆砂層及下臥淤泥層的復雜狀況地基的研究多針對普通地基受力與變形特性，但是針對沉降變形要求更高的橋頭地基研究仍較少，特別是加固方式的適用性和經濟性方面鮮有研究。所以結合現場試驗，針對環杭州灣上覆為粉土、粉砂層，而下臥深埋軟土的地基，進行數值模擬研究。旨在對在不同覆蓋層與下臥軟土厚度多種情況下，進行不同地基處理方式下控制橋頭段工后沉降效果對比分析，以期為今后類似工程的設計提供指導。

1 工程概況

1.1 地質情況

研究區域位于環杭州灣沖海積平原區，依托在建的一級公路新東線(新二村-東二區高速公路)，上部主要為厚層沖海積粉土、粉砂層，厚 14.4～26.8 m，狀態松散-稍密，性質較差，可能發生液化。下部為厚層海積淤泥質粉質黏土、粉質黏土層，流塑-軟塑狀，厚度3.10～26.7 m，壓縮性高，性質差，屬典型的深埋軟基，且本工程全線均為軟基，軟土深度10 m以內的路段占21.9%；軟土深度10～20 m 的路段占53.8%；軟土深度20 m以上的路段占24.4%，其中軟土最厚達26.7 m。

1.2 處理方法

1.2.1 真空井點降水聯合強夯法

真空井點降水聯合強夯法作為一種復合式的動力排水固結法，其主要包括真空井點降水和強夯擊密兩方面的內容，是在動力固結法基礎上發展而來的適用性更加廣泛、施工快速且加固效果更佳良好的動力排水固結法。

現場試驗段采用真空井點降水聯合強夯法：①真空降水環節。本次試驗段施工采用真空井點降水方式，共進行4遍降水。試驗場地內間隔設置深管和淺管，降水管采用50 mm的PVC管，其中深管長為6 m，淺管長為3 m，間排距為3.5 m×3.5 m。在距場地外側2～3 m設置雙層封管，兩層封管管長分別為4、6 m。②強夯擊密工序采用3遍點夯和1次滿夯。如圖1所示為真空降水效果前后對比圖。

圖1 真空井點第一遍降水前后對比

1.2.2 引孔旋噴樁加固下臥軟土

引孔旋噴樁加固厚覆蓋層軟土地基通過直接加固多層地基中下臥軟弱層保留上層及下層地基完整性，并以高壓旋噴樁提高地基承載力來達到加固地基減少工后沉降的目的[13]。

試驗段采用引孔高壓旋噴樁施工，對厚粉砂土覆蓋層下的淤泥層進行加固。旋噴樁處理如圖2所示，如圖3所示為旋噴樁取芯，樁間距1.6 m，引孔至地基下約22.3 m處，旋噴樁長9 m，穿越淤泥層并嵌入上部粉砂1 m和下部硬土層1.5 m，并采用振動碾壓對原地面與地基淺層進行處理。

圖2 旋噴樁處理方案

圖3 旋噴樁取芯

1.2.3 輕質填料

泡沫混凝土是通過在水泥漿中加入泡沫,經攪拌均勻后澆注成型并養護后得到的一種內部含有封閉氣泡的新型建筑材料。因其具有質輕、流動性好、強度易控制、價格低、保溫隔熱性能好等優點[14]。

試驗段采用路用泡沫混凝土的方式，分兩層填筑，填筑高度為2.58 m。預制塊的尺寸為30 cm×30 cm×40 cm。現場預制塊鋪設如圖4所示。

圖4 預制塊鋪設

2 數值模擬

2.1 方法驗證

研究采用有限差分法，數值模擬基于FLAC3D 5.0軟件。根據現場實際情況，上部厚覆蓋粉砂層厚25 m，下部淤泥質軟土厚15 m。考慮對稱性，取1/2模型進行計算。考慮盡可能減小邊界效應，模型寬度取120 m，加載寬度為20 m。荷載最大值為80 kPa。原始土體參數如表1所示。

通過計算得到了沉降隨時間的變化曲線(圖5)，證明數值計算模型對于一般路段的現場沉降數據有較好的匹配度。但運營期開始階段，沉降依然保持相似速率增長，明顯超過浙江省地方標準《公路軟土地基路堤設計規范》中橋頭路堤工后沉降小于10 cm標準，所以需采用有效地基處理方式。

圖5 沉降隨時間變化

2.2 真空井點降水聯合強夯法

2.2.1 參數選值

根據現場試驗的結論，經過井點聯合強夯處理的地基，部分上部粉砂土的壓縮和滲透特性都得到了改善。模擬計算時，將表層至8 m深度內的土體的模量與滲透性進行修正。通過對2.1節未處理地基幾何模型進行修正，得到降水聯合強夯處理后的地基幾何模型(圖6)。

圖6 降水聯合強夯處理地基計算模型

表1 原始土體參數

根據現場試驗結果[15]，壓縮特性在處理范圍內隨深度而變化。深度為2 m處，處理后的壓縮模量為初始未處理土的2.68倍，深度為8 m時，處理后的壓縮模量為處理前的0.94，而且變化的比值可以近似看成隨深度而下降，以下擬合公式能夠較好地反映二者的關系。

(1)

在數值模擬中，對影響范圍內的滲透系數統一取為原粉砂土的1/5。經過初步計算發現，影響深度內對粉砂土的滲透系數的折減，對計算的結果影響較小。

2.2.2 數值模擬計算結果

通過模擬計算可得處理與未處理沉降變化對比曲線(圖7)。厚覆蓋層25 m，軟土層厚15 m的土層分布地基，15 a后最終沉降為35.0 cm，施工期沉降為17.6 cm，工后沉降為17.4 cm，而未處理地基的24.7 cm，可見強夯聯合降水可以有效降低工后沉降。

圖7 處理與未處理地基沉降變化對比

對不同厚度的土層厚度進行計算，考慮典型地質條件為較厚覆蓋層，覆蓋層厚度h1取15、20、25 m，下臥軟土層厚度h2取值5、10、15、20、25、30 m。數值模擬得到沉降隨時間變化如圖8所示。

(1)總沉降變化

由圖8可知，當覆蓋層較厚時，特別是大于等于20 m時，降水聯合強夯的處理方式可以降低40%～60%的工后沉降量，是因為高真空降水聯合強夯處理后人工硬殼層更有利于應力擴散，從而減小了工后沉降。

(2)工后沉降

按照定義，工后沉降等于總沉降扣除施工期沉降。將工后沉降的數據進行歸一化，得到單位填高下的沉降值，見表2。

圖8 不同厚度覆蓋層與下部軟土對沉降的影響

表2 工后沉降與荷載關系

2.3 泡沫混凝土置換法

2.3.1 參數選值

輕質填料的處理方式，即在不改變填筑高度的情況下改變上部荷載，以此減小最終沉降。根據浙江地區相關技術規范，應用時考慮換填泡沫混凝土的容重為550～650 kN/m3，計算時取容重為600 kN/m3。

根據泡沫混凝土填筑路基的結構形式，換填部分與整體填高的比值，可以確定泡沫混凝土換填后荷載的折減率，由于沉降與荷載成線性關系，同時也得到了沉降折減率, 得沉降折減率隨填高變化曲線(圖9)。

圖9 沉降折減率隨路基填高變化

2.3.2 數值模擬計算結果

泡沫混凝土通過替換路面以下部分以減小荷載，沉降折減率隨著填高的增大而減小。低填高時，荷載減小較少，當填高為2 m時，沉降折減為原來的0.65，當填高為5 m時，沉降折減為原來的0.44。

對填高為5 m時，分析不同土層厚度分布時泡沫混凝土換填后的工后沉降。路基填高5 m時，從表3可以得到，當下臥土層小于10 m時，泡沫混凝土換填處理可以滿足橋頭路段的工后沉降要求(表3陰影部分)。

表3 泡沫混凝土路基工后沉降(路基填高5 m)

2.4 引孔旋噴樁加固法

2.4.1 參數選值

引孔旋噴樁進行地基處理的數值模擬時，采用復合模量法對下臥層的土體參數進行修正。根據《浙江省公路軟土地基路堤設計規范》(DB33/T904—2013)，計算公式如下：

Eps=mEp+(1-m)Es

(2)

(3)

根據實際，對部分下部軟弱層進行土體參數的改變，以此模擬旋噴樁加固后的深層土體，樁體參數如表4所示。

表4 樁體參數

注：μ為摩擦系數。

2.4.2 數值模擬計算結果

通過模擬計算(引孔旋噴樁加固模型如圖10所示)，得到了引孔旋樁加固下部軟弱土的沉降變化。并對不同上下土層厚度分布下的沉降進行分析，得到圖11。相同覆蓋層厚度時，總沉降隨下臥層厚度的變化較小，隨著覆蓋層厚度的增加而增加。

圖10 引孔旋噴樁加固計算模型

通過加固下臥層的處理方式后，沉降變形主要發生在施工期。覆蓋層厚度越小，施工期沉降所占總沉降的比例更大。覆蓋層為15 m時，施工期沉降占了總沉降的90%以上。由于固結排水路徑較短，所以上覆粉砂土較快完成了固結，幾乎已全部完成固結，而工后沉降主要發生在下部的加固后的軟弱土。同時軟弱土已經經過引孔旋噴樁的加固，強度與壓縮模量都得以較大程度的提高，故產生的最終沉降也很小。當覆蓋層較厚時，施工期完成后，上部粉砂土仍需要一段時間完成固結變形，所以工后沉降仍然有一部分來自上部粉砂土，故覆蓋層更厚，工后沉降相對較大。

對工后沉降進行計算，覆蓋層小于25 m時都能滿足橋頭路基工后沉降小于10 cm的要求。部分覆蓋層厚較厚情況，工后沉降略大于10 cm的情況，可以通過增加旋噴樁水泥噴量、增大旋噴樁直徑，減小樁間距等措施在設計上保證符合標準。

圖11 不同分布的覆蓋層與下部軟土對沉降的影響

表5 引孔旋噴樁加固下臥層工后沉降(填高為5 m)

綜合數值模擬結果，在路基填高小于5 m時，引孔旋噴樁加固下部軟土時，可以有效減小工后沉降，滿足橋頭路段路基沉降標準

3 經濟性與適用性分析

在相同的處理方法都能達到要求時，需要考慮其經濟性。根據相關技術規范及定額，得到不同處理方法的綜合造價，如表6所示。

表6 不同處理方式的費用

橋頭路段對工后沉降的要求較高，故經濟性針對真空井點降水聯合強夯、引孔旋噴樁與泡沫混凝土填筑路基常用三種方法進行比較，經濟性比較主要涉及的變量為路基填高H、覆蓋層厚h1與下部軟土層厚度h2。通過計算，不同地基處理方法時，每延米造價與路基填高的變化關系。所以在滿足設計要求時，應優先選取該方法，通過數值模擬計算得到不同地基處理方法造價與填高關系圖12，顯然真空井點降水聯合強夯法造價低于其他兩種方法。

圖12 不同地基處理方法造價與填高關系

比較引孔旋噴樁與泡沫混凝土兩種處理方法的費用。由于引孔旋噴樁造價與土層厚度有關，選取典型厚度進行比較。如覆蓋層厚度為10 m，下臥層為5 m的情況，當填高小于1.6 m時，泡沫混凝土的造價低于引孔旋噴樁，大于1.6則反之。當覆蓋層大于20 m，下臥層大于20 m時，無論填高多少，引孔旋噴樁的造價都高于泡沫混凝土。

因此，橋頭地基處理方案選擇時，優選考慮不處理與真空井點聯合強夯法的方案，在不能滿足要求時，在引孔旋噴樁與泡沫混凝土中選取造價更低者。在此原則上，通過表2、表3、表5計算比較得到了地基處理方案選擇表(表7)。當路基填高小于1 m時，小于30 m的厚覆蓋層地基可以不進行處理。當填高大于1 m時，計算得到考慮經濟性因素的代表性填筑高度對應的合理處理方案，可為今后工程提供參考。

4 結論

通過對厚覆蓋層地基處理方法進行分析，基于現場試驗的參數取值進行數值模擬研究，得到以下結論。

(1)泡沫混凝土填筑路基：填高5 m時，下臥層小于10 m時，滿足要求，土層較厚時需要結合其他地基處理手段。

(2)真空井點降水聯合強夯：覆蓋層大于20 m時，處理效果較好，但需要考慮施工條件。

(3)引孔旋噴樁加固下臥軟土處理：對厚覆蓋層橋頭處理效果非常好，填高小于5 m時完全滿足要求。

(4)對覆蓋層地基處理方案選擇時，優選考慮不處理與真空井點聯合強夯法的，在不能滿足要求時，在引孔旋噴樁與泡沫混凝土中選取造價更低者。在此原則上，形成針對不同斷面下橋頭路基處理方式最佳方案選擇表。

表7 地基處理方案選擇