結構化路基在深厚軟基處理中的應用探討

朱士東,劉穎波

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 210017)

1 研究背景

珠江三角洲地勢平坦開闊，區內河渠縱橫交錯，水網密布，由于河流沖積和海潮的進退作用，在該區廣泛沉積了厚層的海陸相交互軟土。這一帶大部分為近代淤積的大孔隙、空架結構的飽和粘土地基，由此形成珠江三角洲淤泥獨有的工程特性“三高兩低”：含水量高、壓縮性高、塑性指數高，而強度低、滲透性低。

根據相關調查結果，區域在以往公路、碼頭、深基坑工程中都有滑塌事故發生，如321國道(三水線境內)、佛開高速公路二標段、新會雙水碼頭等；已建公路橋頭跳車現象比較普遍，與中開高速相交的江珠高速橋頭通車8年，最大橋頭差異沉降達1.1m。如何依據淤泥的工程特性和特點，選擇合適的加固方法和工藝，安全、經濟、快速地地基處理，是當前珠江三角洲工程界和學術界的主要課題。

高等級公路對深厚軟土進行處理過程中，尋求經濟合理、快速有效的處理方法，是國內外學術界、工程界共同面臨的難題。經過多年的理論研究和工程實踐，工程界提出了多種加固措施使路基大部分沉降量在施工期內完成，盡量降低使用期的沉降量，縮短沉降期[1]。

目前常用的軟基處理方法主要有袋裝砂井堆載預壓、真空聯合堆載預壓、魚塘填平及反壓護道、泡沫輕質土填筑橋頭、水泥攪拌樁、預應力管樁等。在具體實踐中也經常組合使用，如預應力管樁+塑料排水板、水泥攪拌樁+泡沫輕質土、真空聯合堆載預壓+泡沫輕質土等。

但在實際施工過程中，常出現征拆壓力大，擠壓施工工期的情況，導致軟基處理施工、預壓周期不足，軟基處理效果差，輕則通車不久即跳車，重則出現滑移，甚至推移橋梁樁基的情況。基于此，為有效提高路基填筑進度，路基結構化理念產生，并在中山至開平高速項目試驗段中得以進行研究。

2 試驗段概況

借鑒工程搶險時采用圓管涵代替路基填料的思路，兼顧本項目缺方嚴重，借方運距遠，經濟性差，試驗段考慮采用鋼波紋管代替路基填料，達到減載和提高施工速度的目的。試驗段為中開高速某互通E匝道EK0+156～EK0+206段，共50m長，一般路段，容許工后沉降不大于30cm，試驗段地基真空預壓后采用Φ4m鋼波紋管+輕質泡沫土填充的處理方式。

管壁厚度4mm，管之間凈距100cm，管材間采用輕質泡沫土填充，管頂厚度50cm，管底設置50cm級配良好的砂礫墊層。

3 數值模擬分析

3.1 計算模型及相關參數

本次研究的主要對象為路堤，根據實際工程地質條件的勘察情況和路堤寬度，設計地基計算深度為20m，素填土3m，淤泥層后15m，黏土層2m，路堤計算寬度12.5m，路面寬9m。

圖1 結構化路基幾何模型及數值計算模型三維立體圖

3.2 基本假定及相關參數選取

為方便模擬本次路堤施工過程，加強對研究對象路堤的研究，基本假定如下：

(1)地基為已經經過真空預壓處理后的狀態。

(2)地基為帶狀，以平面應變模擬和分析。

(3)以摩爾-昆侖彈塑性模型模擬地基的素填土層、粘土層。

(4)以修正劍橋模型模擬地基的淤泥層。

(5)自由表面為透水邊界。

建立模型中的地基為已完成的真空預壓加固處理后的狀態，而在路堤的施工過程中，地基必定會開始新一階段的沉降，根據現場勘察資料，試驗段的各個層位的參數如表1、表2所示。

表1 路基與地基參數

表2 修正劍橋模型參數

3.3 結構化路基應變分析

(1)結構化路基水平位移分析

對結構化路基的施工完成以及其工后位移進行模擬計算，得到其在路堤施工完成后的水平位移以及施加荷載后的水平位移云圖，如圖2、圖3所示。

圖2 竣工后的結構化路基水平位移云圖

圖3 施加車輛荷載后的結構化路基水平位移云圖

從圖2、圖3可以看出，竣工后路堤的水平位移和施加車輛荷載后的水平位移在變化趨勢上基本一致，后者在水平位移數值上略大于前者。水平位移主要發生坡腳大直徑管材與地基接觸處，由于上覆荷載擠壓，路堤填筑物產生壓縮，土體向兩側擠壓，在坡腳位置大直徑管材底部向兩端產生形變，整體結構化路基其余位置并無明顯水平位移。

(2)大直徑管材應變分析

對結構式路堤的施工中的大直徑管材的變形進行模擬計算，得到其在路堤施工完成后的水平位移以及施加車輛荷載后的位移云圖，如圖4、圖5所示。

圖5 大直徑管材通車后豎向位移云圖

大直徑管材的水平位移主要發生在管底部分，上部基本不發生水平位移，由于上部受壓產生豎向位移，同時地基土與周圍泡沫輕質土共同擠壓大直徑管材，使得大直徑管材底部產生向兩側的水平位移。由圖5可以看出，竣工后的大直徑管材豎向位移小于施加車輛荷載后的豎向位移。在管頂位置設置位移監測點，結構式路堤竣工后大直徑管材的最大豎向位移出現在管頂部中心處，為30.3mm，在結構式路堤上施加車輛荷載后大直徑管材的最大豎向位移出現在管頂部中心處，為51.2mm，與路堤表面的沉降基本一致。通過對比可以看出，隨著泡沫輕質土的填筑以及路面結構的施工和車輛荷載的施加，上覆荷載不斷增大，路堤產生沉降，路堤填筑層發生壓縮。下部大直徑管材受擠壓產生向下的變形，受上覆荷載和泡沫輕質土的擠壓發生水平側向位移，導致大直徑管材底部中心位置有產生向上隆起的趨勢，但其向上的數值很小，故并不會產生明顯的向上的形變。

4 結構化路基沉降計算及對比分析結論

為了便于分析路基沉降，對工程計算模型進行適當的簡化，由于波紋鋼管不方便直接計算，通過等效替換得到用結構式路堤填筑后的土層的等效重度。在1m3的土體中按原來土體中所含的各材料占體積比來重新組合得到計算參數。通過等效換算可得波紋鋼管結構路堤置換土層的等效重度γ=3.78kN/m3。簡化后的試驗段填筑完成后的路堤包含50cm級配良好的砂礫墊層，路面結構包含路床和70號A級石油瀝青路面及標準車輛荷載。

依托工程地質報告資料選擇現場試驗段，利用考慮蠕變沉降計算理論對大直徑鋼波紋管結構化路堤聯合真空預壓工程進行了沉降計算分析，主要對各階段沉降以及工后沉降進行了理論計算分析，計算結果如表3所示。

研究結果表明，考慮蠕變沉降計算方法計算結果與數值模擬結果以及目前現場監測結果較為相符，相較于不采用蠕變沉降更精確，說明了其可靠性，結構化路基方案可以滿足規范規定的不大于30cm沉降的要求。大直徑管材替代路基填料的結構化路基方案可以為軟基處理提供新思路。