公路軟土路基加固及沉降分析

黃曉

摘 要：為了提高軟土地區公路工程建設水平，首先總結了軟土路基常見加固措施的特點及作用機理，隨后以國道G205線蕉嶺縣文福至新鋪段改建工程為研究對象，利用有限元軟件PLAXI8.0分析了軟土路基在水泥攪拌樁處治前后的沉降規律，并探討了樁間距、樁長、填土壓實度等參數對軟土路基沉降的影響規律，為類似的軟土路基處治提供理論指導。

關鍵詞：公路;軟基;沉降規律;加固措施

0 引言

隨著基礎交通設施的投資力度不斷加大，公路工程建設步伐日益加快，同時我國幅員遼闊，地質環境復雜，公路在建設期間可能會遇到淤泥、淤泥質土等軟弱土層。軟土具有含水量高、壓縮系數大、承載力小等特點。近年來，國內外學者及工程師也通過現場監測、數值模擬等方法分析公路軟土路基加固方法及變形規律，如鄒建洲[1]依托某高速公路，分析了軟土路基的施工方法，并開展現場沉降監測試驗，得到不同監測點的沉降規律;呂高航等[2]以某軟土路基為研究對象，研究了CFG樁和水泥攪拌樁對軟土路基的加固效果，并分析了填土高度和填土速率對軟土路基沉降的影響規律。因此，研究公路軟土路基加固及沉降規律具有十分重要的工程意義。

1 公路軟土路基常見加固措施

相對于碎石、砂礫土等優質路基填料而言，軟土具有承載力低、含水率高、流變性明顯特點，屬于不良地質的范疇，不宜在軟土地基上直接填筑路基或將軟土作為路基填料。在軟土地基上填筑路基之前，應先對軟土地基進行處理[3]。

1.1 換填法

換填法在軟土地基處理中的應用范圍最廣，是將地基中的軟土挖除，再分層回填壓實強度高、顆粒級配良好、透水性好的砂石料作為路基持力層，如圖1所示：

換填法施工方法簡單，造價低，適用于軟土深度不超過3 m的地基處理。經過換填法處治的軟土地基物理力學性能明顯提高，主要體現在以下兩個方面[3]：一方面，地基沉降量降低。換填后軟土地基密實度高，能夠更好的擴散作用在土基上的應力，從而降低路基沉降變形;另一方面，加快地基排水固結。砂石料孔隙大、透水性好，土層間孔隙水壓力容易消散，排水固結速度快。

1.2 注漿法

注漿法就是將能固化漿液通過注漿孔注入軟土地基中，并通過擠壓周圍土體來改善軟土的強度指標，提高其承載能力和施工質量。常用的注漿材料有水泥漿、硅化液、堿液等，注漿液的具體用量Q計算可參考下式：

式中：—待處理軟土的體積，m3;—軟土孔隙率，%;—注漿液的相對密度，無量綱;—孔隙填充系數，與土體性質有關，一般取0.6～0.8。

1.3 強夯法

強夯法又稱動力固結法，是通過起重裝置將一定重量的夯錘抬高至設計高度，隨后使夯錘脫鉤自由降落，利用夯錘的沖擊能來夯實軟土地基，以提高其強度與承載力。強夯法的加固機理是基于動力固結理論，即夯錘下降沖擊雜填土，在土層中產生較強的應力波，使得土體原來的骨架結構破壞，空氣和水分被壓縮，加速土體的固結。同時，土顆粒間距減小，孔隙體積降低，形成新的土骨架結構。

1.4 水泥土攪拌樁加固

水泥在軟土地基中攪拌形成復合地基，將原地基分成加固區和非加固區。水泥土攪拌樁可分為噴漿型和噴粉型兩種，根據需求選取不同的施工方式。噴漿型攪拌樁施工較為簡單，只需在軟土地基中拌入一定配合比的水泥漿，將水泥漿攪拌均勻即可;而噴粉型攪拌樁施工過程中需要借助機械設備進行水泥粉體攪拌，之后通過壓縮空氣將水泥粉均勻噴灑進軟土地基中，依靠機械鉆頭或者翼片的旋轉將水泥粉和軟土均勻混合，從而形成粉噴樁[4]。

水泥土攪拌樁加固軟土地基的影響因素有：齡期、水泥的摻入比和標號;土樣的種類、含水量、有機質含量;外加劑;養護方法。如下圖2所示：

2 公路軟土路基沉降計算理論

2.1 軟土固結理論

在公路工程建設期間，軟基變形計算可利用“分層總和法”，沉降變形可分為瞬時沉降（Sd）、主固結沉降（Sc）和次固結沉降（Ss）三個階段，其中Sd是在加載瞬間（t=0）產生的，此時孔隙水壓力難以排出，土顆粒骨架不承受有效應力，只有形狀變形而不產生體積壓縮，沉降變形與加載速率密切相關;Sc是軟土軟土地基沉降的主要組成部分。在荷載作用下，土體中超靜孔隙水壓力會隨著固結時間的增加（0

2.2 土體屈服準則

路基土體計算采用Druker-Prager屈服準則，該模型在模擬路堤填土力學變形所需的參數容易測定，同時可以考慮填土的抗壓強度，還能夠彌補摩爾-庫倫準則導數在節點處的不連續問題。D-P準則屈服時與破壞面函數是：

式中：、為屈服材料常數;—第一應力不變量;—第二偏應力不變量?！畲笾鲬?—中間主應力;—最小主應力。

3 公路軟土路基沉降計算及加固效果評價

3.1 工程背景

本文擬利用有限元軟件PLAXI8.0分析軟土路基沉降變形規律及加固效果，研究對象為位于蕉嶺縣蕉城鎮、新鋪鎮的國道G205線蕉嶺縣文福至新鋪段改建工程，路線起點在蕉城鎮樟坑天汕高速文福出口，終點在新鋪大和亭與梅縣交界處，全長約21.8公里。沿線部分路段存在淤泥、淤泥質土等軟弱土層，厚度較大，天然狀態下地基土承載力不能滿足路基填筑要求，擬采用水泥攪拌樁進行處理。

3.2 軟土路基有限元模型

3.2.1 計算參數選取

隨著計算機技術進步，有限元法在公路軟土路基計算中的應用日益廣泛，故采用有限元軟件PLAXI8.0來分析軟土路基沉降變形規律及影響因素，計算斷面選擇樁號K2549+630。模型中路堤邊坡最大高度為16 m，填料擬采用碎石土，分兩級來填筑，每級填土高度是8 m，邊坡從上至下坡比分別為1：1.5、1：1.75，平臺寬2 m。地基土層分兩層，分別為11 m淤泥、淤泥質土和基巖。擬采用水泥攪拌樁法處治，按梅花型布置，設計樁長12 m、樁間距1.5 m、樁直徑0.6 m。為了提高計算的精確性，計算模型的物理力學參數必須經過多次重復試驗，取其平均值，填料和地基土計算指標見表1：

3.2.2 網格劃分及邊界條件

相關分析成果表明，網格尺寸、網格數量對模型計算結果和計算效率影響較大。在綜合考慮軟土路基沉降精確度和計算機運行速度前提下，利用PLAXI8.0中的二維實體單位PLANE42對路基進行網格劃分，網格尺寸選1.5 m，CFG加固區域內網格進行加密，網格尺寸選1 m，共劃分出單元2 472個，節點3 088個。此外，水泥攪拌樁在施工期間，樁間土不僅與樁共同承擔外荷載，還會受到樁側摩阻力。但是水泥攪拌樁的剛度要遠大于土體材料，不適合D-P屈服準則，可用線彈性計算模型。樁-土接觸面采用罰函數模擬。

路基模型底部為不透水邊界，并對其X方向、Y方向、Z方向完全約束;路堤頂部和邊坡坡面為自由邊界，可發生豎向壓縮變形和水平位移;地基進行X方向約束，只產生豎向壓縮變形[6]。

3.3 軟土路基沉降計算結果

從道路中心線開始，每隔2 m布置一個沉降監測點，得出軟土路基加固前后各監測點的豎向壓縮變形結果如圖3所示：

圖3表明：公路軟土路基中心點處總沉降變形最大，且距離路基中心越遠，路基沉降量越小，但是減小速率基本呈先慢后快的趨勢。軟基未處治之前，路基最大沉降量為18.6 cm。路基在經水泥攪拌樁法處理后，各監測點的沉降量均出現一定程度降低，此時路基最大沉降量為5.6 cm，減小了69.8%。這表明軟土地基在經水泥攪拌樁法加固后，其承載能力和整體穩定性有明顯的提升，使得路基在相同荷載下產生的壓縮沉降降低。

3.4 軟土路基沉降影響因素

3.4.1 樁間距的影響

在其它計算參數不變的情況下，利用PLAXI8.0建立水泥攪拌樁間距分別為9 m、12 m、15 m、18 m、21 m的軟土路基模型，得到了路堤處治后最大位移和最大應力隨樁長的變化規律，見圖4：

圖4表明：軟土路基最大沉降隨著樁間距增加而不斷增大趨勢，且兩者之間基本呈線性正相關關系。當水泥攪拌樁布置間距從1.5 m提高至3 m時，路基最大沉降增加了33.4%。同時，隨著水泥攪拌樁布置間距的增加，路基最大應力也逐漸增加，但增加速率有變緩的趨勢。即當樁間距小于2 m時，路基最大應力快速增加，反之，路基土應力變化不明顯。因此，建議采用水泥攪拌樁技術處治軟土路基時，樁間距不宜超過2 m。

3.4.2 樁間距的影響

在其它計算參數不變的情況下，利用PLAXI8.0建立水泥攪拌樁長度分別為1.5 m、2 m、2.5 m及3.0 m的軟土路基模型，得到了路堤處治后最大位移和最大應力隨樁間距的變化規律，見圖5：

圖5表明：隨著樁長增加，路基最大沉降呈減小趨勢，其中路堤豎直向最大位移均大于水平向最大位移。樁長從10 m增至12 m，路基沉降降低速率最快。當樁長超過18 m，繼續增加對路基沉降改善效果不明顯。而路基最大應力隨著水泥攪拌樁長度的變化沒有規律性，基本呈波浪形波動，波動范圍在10 kPa之內。在綜合考慮施工難度、施工成本、改良效果等因素后，建議水泥攪拌樁技術處治軟土路基時樁長可取12 m～14 m之間。

3.4.3 填土壓實度的影響

《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）要求填方路基壓實度不得小于90%，故填土模擬壓實度分別取0.90、0.92、0.94、0.96、0.98。在其它參數不變的情況下，得到了不同壓實度下軟土路基最大沉降量如圖6所示：

圖6表明：公路軟土路基最大沉降量隨填土壓實度的提高而不斷降低，當路基施工壓實度從90%提高到98%，路基最大沉降從7.8 cm減小至6.2 cm，減少了20.5%。這是因為公路路基填土壓實度增加，會提高填料抗剪強度和壓縮模量，降低路基的可壓縮性、提高其整體穩定性，使得路基沉降減小。同時，當提高填土壓實度至某一臨界值（96%）后，對軟基沉降變形的降低效果并不明顯。

4 結語

分析了軟土路基的常見加固方法，并依托某公路項目，利用有限元軟件得到了軟土路基加固前后的沉降變形規律，主要得到以下幾個方面的結論：

（1）軟土具有承載力低、含水率高、流變性明顯等特點，常見的處理方法有換填法、注漿加固、強夯法、水泥攪拌樁等;

（2）軟基路基沉降變形隨著加載時間的增加而不斷增大，基本可分成瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降三個階段;

（3）軟土地基在經水泥攪拌樁法加固后，各監測點的沉降量均出現一定程度降低，其承載能力和整體穩定性有明顯的提升;

（4）隨著樁間距減小、樁長增加、填土壓實度提高，軟土路基最大沉降呈不斷減少的趨勢。

但是目前公路路基加固處理方案仍比較保守，會造成一些資源浪費，下一步可以依托高?；蚩蒲袡C構，結合有關公路軟基處治工程，對優化設計方案與處治效果的關系進行定量的評價。

參考文獻：

[1]鄒建洲.基于有限元的軟土路基沉降影響因素分析[J].路基工程，2019（5）：145-148.

[2]呂高航.高速公路改擴建新舊路基差異沉降規律及加固技術研究[D].山東大學，2018.

[3]馮達，黃樹亭，王陽，等.軟土路基上沉降結構物的壓漿加固處理技術[J].建筑技術開發，2014，41（12）：66-69.

[4]吳嶺.軟土路基加固效果及沉降變形數值模擬研究[D].長安大學，2013.

[5]趙坤.貴州西部部分路基軟土特性與既有路基加固分析[D].貴州大學，2007.

[6]胡春林，王茂麗，李坤.基于沉降控制的軟土路基粉噴樁加固設計方法探討[J].巖土力學，2006（6）：969-972.