圍堰換填法在東非沼澤區(qū)公路軟基處理中的應(yīng)用

李金成 熊排良 劉 光 易正紅 武 林

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063; 2.中交第一公路工程局集團有限公司 北京 100024)

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進與深入，中國在非洲各國的公路建設(shè)項目越來越多。東非地區(qū)常見的沼澤區(qū)軟弱地基處理是當(dāng)?shù)毓方ㄔO(shè)的難題之一。東非沼澤區(qū)地基土含水率高，承載力弱，容易對路基穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，嚴重時還會造成公路不均勻沉降和路面開裂[1]。因此，對沼澤地區(qū)軟基進行合理處治，是保證路基穩(wěn)定性、維持公路正常使用功能的必要手段。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者對軟弱地基處理進行了研究，王福勝[2]進行了袋裝砂井法軟基處理可行性分析，研究顯示擠實砂樁能有效加速地基土固結(jié)，減少施工后沉降。Chow[3]提出了一種擠密砂樁改善地基沉降的簡化理論分析方法，并驗證了該簡化方法的準確性。張志耕[4]研究了碎石樁法在高原地區(qū)濕地軟基處理中的應(yīng)用，結(jié)果表明碎石樁可以加快地基排水過程，增強地基承載力和基礎(chǔ)抗液化的能力。黃桂蘭[5]探討了強夯法在軟基處理中的可行性，得出了強夯法能代替堆載土加速軟基排水固結(jié)的結(jié)論。吳明玉[6]提出采用超輕材料樁復(fù)合地基處理軟基，結(jié)果表明超輕材料樁復(fù)合地基具有平緩的地表沉降和良好的工作狀態(tài)，因此處理軟土地基效果較好。Liu等[7]研究了高速旋噴法進行軟基處理的計算模型，并驗證了模型的準確性。段吉兵[8]對比研究了公路高路堤下的挖除換填法和拋石擠淤法的可行性，通過觀測沉降和側(cè)向位移，發(fā)現(xiàn)挖除換填法更具可行性。Saleh等[9]提出了采用聚氨酯化學(xué)灌漿提高軟土地基強度的方案，并通過實例驗證了該方法具有較好的可行性。

雖然國內(nèi)外已有大量關(guān)于軟基處理方法的相關(guān)研究，但對于永久沼澤這種特殊軟基處理的相關(guān)研究較少，一般的處理方法對沼澤區(qū)軟基處治難以奏效。針對這種情況，本文以烏干達某沼澤區(qū)公路軟基處理為工程背景，對東非永久沼澤區(qū)采用先圍堰再換填的軟基處理方法進行探索與實踐，并通過理論分析與數(shù)值模擬，探討圍堰換填法處治沼澤區(qū)軟基的可行性和有效性。

1 工程概況

烏干達Kampala-Entebbe機場高速公路(以下簡稱KE高速)是連接烏干達首都Kampala和Entebbe國際機場的高速公路，也是該國第一條收費高速公路。主線全長37.23 km，支線連接維多利亞湖度假村，長為12.947 km。

該項目工程地質(zhì)情況復(fù)雜，途經(jīng)多處濕地或沼澤，其中沼澤可分為季節(jié)性沼澤和常年性沼澤。沼澤區(qū)軟基處理的常見方法一般有：換填法、拋石擠淤法、預(yù)壓法及碎石樁法[10]。根據(jù)工程實際情況，季節(jié)性沼澤一般可用換填法和拋石擠淤法進行軟基處理[11]。永久性沼澤常年積水，植被豐富，表層土以淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)黏土為主，土壤地質(zhì)條件復(fù)雜，采用常用的軟基處理方法往往不能滿足規(guī)范對地基沉降值的要求。為了解決永久沼澤區(qū)軟基處理問題，提出了在換填法的基礎(chǔ)上，先利用圍堰隔絕附近積水，再換填圍堰內(nèi)軟土，以提高地基承載能力的圍堰換填法。由于普通換填法和拋石擠淤法出現(xiàn)時間較早，已經(jīng)有許多專家學(xué)者做過相關(guān)研究[12]，其施工工藝與分析理論都較成熟。因此，本文針對圍堰換填法在處理東非烏干達地區(qū)永久性沼澤區(qū)的有效性和可行性進行探究。所選研究路段的路基橫斷面見圖1。

圖1 路基橫斷面圖(單位：cm)

2 圍堰換填法施工工藝

圍堰原本是為了阻止水或者土進入施工位置而修建的臨時性的支護結(jié)構(gòu)。換填法是將基礎(chǔ)地面以下一定范圍的軟弱土層置換成適合作為路基的土體的過程。圍堰換填法是在換填法基礎(chǔ)上增加修筑土制圍堰、抽水清淤和拋石填筑過程的地基處理方法，其原理是先將路基換填區(qū)域與周圍水域采用圍堰隔離，然后再對路基區(qū)域進行抽水換填。其施工流程見圖2。

圖2 圍堰換算流程圖

為保證圍堰換填法的施工質(zhì)量，需進行2項工程測試：①在完成拋石擠淤步驟后，需要確保路堤基底片石壓實度不小于90%。對不達標的路段需要重新?lián)Q填適宜性材料進行碾壓，直到達到要求；②對路堤利用機器碾壓完成后，須對路基進行加載預(yù)壓，預(yù)壓過程須對路基頂部沉降進行跟蹤監(jiān)測，對沉降量過大，不符合設(shè)計沉降限制的路段進行特別處理。處理方式包括重新開挖后對基底進行常規(guī)方式重新處理和在沉降過大路段內(nèi)鉆孔灌注水泥漿等。

在圍堰和路基修筑完成后，為了避免圍堰與路堤之間在降雨時變成溝渠，影響路堤坡腳穩(wěn)定性，需在圍堰與路堤之間填筑土料。實施圍堰換填后，路基橫斷面圖見圖3。

圖3 圍堰換填法處理后路基橫斷面圖

底部石料拋石層采用尺寸30～50 cm的塊石置換軟泥，塊石頂部撒布級配碎石填隙，地面以上的填土則采用加州承載比大于7%的紅土粒料。圍堰和路堤之間的填土不僅有助于路面排水，而且還保護了路堤邊坡，大大提高了路堤穩(wěn)定性。因此，采用圍堰換填法對沼澤區(qū)軟基進行處理，使路基穩(wěn)定性得到了很好的保證，不再需要專門的護坡。由于增加了圍堰填筑和土料填充等過程，圍堰換填法進行軟基處理與一般換填法相比，路基所承受的荷載更大，因而要特別注意控制路基的工后沉降。

3 路基沉降分析

路基沉降由路堤沉降和路堤下軟土地基沉降組合形成。公路路堤填土為工程性質(zhì)較好的土料，路堤沉降主要發(fā)生在施工階段，表現(xiàn)為瞬時沉降，其沉降值可以通過填筑時的分層壓實和現(xiàn)場監(jiān)控路堤標高及時補料而得到較好的控制，路堤整體平均壓實度可以達到95%以上[13]。所以在計算公路路基工后沉降時主要考慮路堤下的軟土地基沉降。

3.1 計算理論

基于分層總和法[14]利用壓縮模量法計算的地基主固結(jié)沉降Sc計算方法見式(1)。

(1)

式中：Δpi為地基各分層中點的附加應(yīng)力，kPa；Esi為地基各分層中點的壓縮模量，kPa，一般由室內(nèi)壓縮實驗得到;Δhi為地基各分層土的厚度，m。

由于路堤對地基荷載沿路線長度方向的分布規(guī)律是不變的，因此，可看作是平面問題求解，根據(jù)彈性理論，地基土受到無限分布的均布線荷載p時，地面以下深度z處附加應(yīng)力計算方法見式(2)。

(2)

式中：x為離無限均布線荷載的垂直方向距離，m。

路堤寬度方向線荷載分布可通過路堤橫斷面形狀和填土重度求得，在此基礎(chǔ)上，只需對σz沿路堤寬度方向積分即能求出地基土中任意一點的有效應(yīng)力。圍堰換填法還需在地表上填筑圍堰和填充土料，因此，計算附加應(yīng)力時應(yīng)同時考慮圍堰填土和填充土料的影響。

地基最終沉降S∞計算方法見式(3)

S∞=msSc

(3)

式中：ms為沉降系數(shù)，其與地基條件和荷載加載情況有關(guān)，一般由現(xiàn)場沉降觀測資料確定，也可以根據(jù)經(jīng)驗公式(4)[15]取值。

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

(4)

式中：H為路堤中心高度；γ為路堤填料的重度；θ為地基處理類型系數(shù)；V為加載速度修正系數(shù)；Y為地質(zhì)因素修正系數(shù)。

3.2 工程計算分析

烏干達KE項目在樁號K1+250-K1+300處是典型的永久性沼澤區(qū)域，表面生長有高度超過2.0 m的植被，下部由植被根系及植被腐殖物構(gòu)成，水深約90 cm，無明顯徑流。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，地表下土層分布及路基橫斷面見圖4。

注：h為厚度，m；γi為土重度，kN/m3；Es為壓縮模量，MPa。

路堤頂寬26 m，邊坡坡度為1∶1.5，路面橫坡為2.5 %；圍堰頂寬7 m，邊坡坡度為1∶1.5，圍堰頂部與填充土料表面有4%橫坡，利于排水。圍堰換填法進行軟基處理過程中，地表下100 cm厚度范圍用塊石置換了軟泥，由于塊石幾乎無法壓縮，因此分層沉降計算將從地下100 cm深度處開始。表1為用分層總和法計算的路堤中點處土層①和土層②的地基最終沉降。

表1 分層總和法計算路堤底部中點地基最終沉降

壓縮層深度一般按該點土層附加應(yīng)力等于自重應(yīng)力的1/5來確定[16]，通過計算，最終取壓縮層深度為22.45 m，圖5為壓縮層計算深度與計算的地基最終沉降的關(guān)系。

圖5 壓縮層計算深度與計算的地基最終沉降的值

路堤底面中點處地基最終沉降等于各分層土沉降總和，S∞=ms∑Sci=280.6 mm，圍堰換填法處理的路基總沉降應(yīng)為軟基沉降與路堤沉降之和，此處僅為軟基沉降值，因此還需計算路堤沉降。路堤沉降計算則可參考張占榮等[17]提出的考慮路堤填筑前后順序的修正分層總和法，計算出的路堤沉降值理論值為11.6 mm，最終分層總和法計算的路基總沉降為S0=280.6+11.6=292.2 mm。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料，已知路基施工期沉降Scp=50 mm，則可以計算路基工后沉降Sp=S0-Scp=242.2 mm。因此，由分層總和法計算得到的總沉降滿足JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》中軟土路基高速公路一般路段工后沉降小于等于0.3 m的要求[18]。

3.3 FLAC3D仿真分析

為了對分層總和法的計算結(jié)果進行驗證，本文采用FLAC3D三維有限元差分軟件對上述路段地基沉降進行了仿真分析。模型土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖準則，土層參數(shù)由室內(nèi)快剪實驗確定，其參數(shù)取值見表2。最終建立的模型與網(wǎng)格劃分圖見圖6。

表2 模型土體參數(shù)取值

圖6 模型與網(wǎng)格劃分圖

模型的邊界條件約束了前、后、左、右和底面5個面的位移，在只建立土層模型的基礎(chǔ)上，計算土層在自重作用下完成初應(yīng)力平衡，再通過約束土層各方向位移為0來保證加載前地基沉降值為0。最后建立路堤和圍堰等部分的模型來模擬圍堰換填法對地基的影響，計算出路基施工后的地基沉降。

圖6中，A～H點分別為所在土層中點，I點為路堤底面中點，J點為路堤頂面中點，K點為路堤底面邊點。

圖7為地基沉降云圖。

圖7 地基沉降云圖(單位：m)

路堤底面中點I處總沉降為245 mm，可以計算出仿真分析的路堤填土沉降為11 mm，與理論計算值11.6 mm較為接近。路堤沉降遠小于軟土地基沉降的現(xiàn)象也驗證了影響路基沉降的最大組成部分為軟土地基沉降的判斷。

路堤底面邊點K處沉降為219 mm，與I點沉降值相差26 mm，因此，填筑路堤時須注意中點比邊點需要更大的預(yù)留沉降量。

繪制A～I點處總沉降值(包括施工期沉降與工后沉降)的理論計算與仿真分析結(jié)果進行比較，見圖8。

圖8 地面深度與沉降值的關(guān)系

由圖8可見，路堤底面中點I處分層總和法計算結(jié)果比仿真分析結(jié)果大，這是因為仿真分析采用的是摩爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系，只考慮彈性范圍內(nèi)的變形，而分層總和法計算采用壓縮模量計算考慮了不可恢復(fù)的塑形變形，所以理論計算最終沉降值較仿真分析的結(jié)果偏大。

圖8中F點(距離地面7.7 m)處理論計算沉降值與仿真分析結(jié)果大小相近，當(dāng)?shù)孛嫔疃刃∮?.7 m時，理論計算沉降值大于仿真分析的結(jié)果；當(dāng)?shù)孛嫔疃却笥?.7 m時，仿真分析沉降值又大于理論分析的結(jié)果。這是由于分層總和法假設(shè)了地基土層在側(cè)向不能變形，從而導(dǎo)致計算沉降值偏小，而利用地基中附加應(yīng)力計算地基沉降又會使計算結(jié)果偏大。

在距地面較深處，分層總和法分析需要考慮沉降計算的土層厚度較薄，附加應(yīng)力在地面深處又比較小，而仿真分析則完全考慮土層側(cè)向位移，所以此時仿真分析計算結(jié)果偏大；在距地面較淺處，分層總和法分析需計算的土層變多，比仿真計算考慮額外塑性變形的誤差變大，所以此時的計算值比仿真分析的結(jié)果大。

圍堰回填施工過程中分別在路堤底部和頂部埋設(shè)沉降板，以便監(jiān)測工后沉降。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，路面施工完成后380 d的路堤頂部沉降平均值為190.6 mm，路堤底部沉降平均值為178.3 mm，因此，路堤的沉降為12.3 mm?？梢哉J為分層總和法計算值和數(shù)值仿真結(jié)果與實測值較為接近。這說明分層總和法和FLAC3D軟件可以有效預(yù)測圍堰換填法的工后沉降。

另外，對比發(fā)現(xiàn)，路堤底部沉降的現(xiàn)場實測值小于前述2種計算方法的理論值，其原因可能為：①雖然沉降監(jiān)測數(shù)值近3個月變化不明顯，可以認為工后沉降已趨穩(wěn)定，這個實測值接近于最終的工后沉降，但是實際上這個沉降值是小于最終沉降量的；②軟基處理最初的1 m左右不具備監(jiān)測條件，未監(jiān)測到這個階段路基施工引起的地基沉降；③理論分析方法和模型對計算過程進行了部分簡化，可能忽略了部分影響工后沉降的因素。總體來說，實測值較小說明圍堰換填法的現(xiàn)場施工質(zhì)量控制較好。

綜上所述，理論計算、仿真分析和現(xiàn)場實測值得出的工后沉降均滿足JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》中軟土路基高速公路一般路段工后沉降小于等于0.3 m的要求[18]。該工程項目實際通車后，圍堰換填法施工路段的道路運行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)道路修建質(zhì)量問題，道路整體穩(wěn)定，說明圍堰換填法能很好地處治沼澤區(qū)軟土地基沉降過大的問題，可以保證道路修建后的安全穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文選擇烏干達KE高速公路典型沼澤區(qū)路段，針對圍堰換填法處理軟基，分別采用分層總和法與FLAC3D仿真分析計算了沼澤區(qū)公路路基工后沉降，得出了如下結(jié)論。

1) 圍堰換填法能有效提高地基承載力，適用于直接開挖或置換比較困難且流塑性好的永久性沼澤軟土路基，但工程量較一般換填法大，施工周期長，施工成本較常規(guī)軟基處理方法高。

2) 通過2種計算分析方法與現(xiàn)場實測值對比分析可知，采用圍堰換填法進行軟基處理，能有效地將沼澤區(qū)路基的沉降控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。其中，軟土地基沉降是路面沉降值的最大組成部分。分層總和法計算的沉降值在地面以下較深處比采用摩爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系仿真分析的結(jié)果小，而在離地面較近處又比仿真計算的結(jié)果大。

3) 圍堰換填法能有效解決沼澤區(qū)軟基處理中的施工困難和地基沉降過大的問題，確保路基的穩(wěn)定性，用于處治沼澤區(qū)軟土地基具有可行性和有效性。