公路軟土路基沉降規律及施工控制技術研究

王嘯

摘要：為了提高軟土地區公路工程建設水平，文章從淺層軟土地基處治和深層軟土地基處治分析了軟土路基的施工控制技術，并以某高速公路項目為研究對象，利用有限元軟件PLAXI8.0建立有限元模型，研究了軟土路基在水泥攪拌樁處治前后的沉降規律，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。研究成果可為類似的軟土路基施工提供理論指導。

關鍵詞：公路;軟土路基;沉降變形;施工控制

中圖分類號：U416.1文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.012

文章編號：1673-4874（2021）01-0044-04

0引言

隨著基礎交通設施的投資力度不斷加大，公路工程是帶動沿線經濟發展和區域交流的關鍵項目，其建設步伐日益加快。由于我國幅員遼闊，地質環境復雜，同時公路項目占用土地面積大，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，選擇合理、經濟的公路軟土路基建設方案，已經成為各參建單位急需解決的關鍵問題。近年來，國內外學者及工程師也通過現場監測、數值模擬等方法研究公路軟土路基處治措施及變形規律：梁剛[1]依托廣西某臨江高速公路，分析了軟土路基的施工方法，并開展現場沉降監測試驗，得到了不同監測點的沉降規律;溫廣軍等[2]以馬巢路一標段軟土路基為研究對象，研究了PHC管樁和雙向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;張銀貴等[3]結合天津某城市快速路，利用有限元軟件PLAXIS模擬了軟土路基分層填筑過程中的應力和變形，得到該地區軟基沉降固結規律，很好地指導了軟土路基施工。因此，研究公路軟土路基沉降規律及施工控制技術具有十分重要的工程意義。

1軟土地基沉降理論及施工控制措施

1.1軟土地基沉降計算理論

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（S_d）、主固結沉降（S_c）和次固結沉降（S_s）三個階段，其中S_d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;S_c是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（0s是發生在主固結沉降基本完成之后（t=+∞），土骨架承擔的有效應力不變，土體產生蠕變而導致土體變形量繼續增加[4]。軟土路基沉降固結模型見圖1。

1.2軟土地基沉降施工控制措施

（1）淺層軟土地基處理

換土墊層法：換填法屬于淺層軟基處理措施，其基本原理是把地面線高程以下軟土層（<3m）挖除，換填成強度大、水穩定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯壓密實，以提高地基承載力，減小地基及其下臥層沉降變形[5]。

鋪土工格柵：土工格柵加入軟土地基中形成加筋土，提高了軟土抗剪強度和抗壓強度，降低軟土壓縮性，從而減小軟基沉降變形。土工格柵表面粗糙，呈凹凸不平的狀態，可以和土顆粒很好地結合在一起，提高土顆粒之間的摩擦力和咬合力。同時，在外荷載作用下，土工格柵和土體壓縮模量不同（抵抗變形能力不同），兩者發生錯動使得土工格柵受拉，出現“界面應力”（如圖2所示）。界面應力會限制土工格柵的相對滑動，使得土工格柵必然會承受一定的拉應力。由于土工格柵的抗拉性能良好，可以為土體分擔一部分的外部荷載，相當于減少了土體本身的荷載。

采用輕質填料：輕質材料一般重度較小，公路填筑采用輕質材料能有效地降低作用在軟土地基上的荷載，從而減小土體中的附加應力和沉降變形。在填筑輕質材料路段和一般路基之間要開挖臺階設置過渡段，臺階高度在0.5～1.0m，坡比宜為1：1～1：2，以確保路基的整體穩定性。

（2）深層軟土地基處理

水泥攪拌樁處治：公路工程軟基處治中的水泥攪拌樁應按梅花型布置，樁頂鋪20cm碎石層，樁徑取350～500mm，樁長與樁間距可按照巖土勘察報告中的地勘參數利用理正巖土或有限元軟件計算確定，處治深度一般在8～20m。

剛性樁處治：公路工程中常用剛性樁是預應力混凝土管樁，一般用于處理軟土地基上荷載大、變形控制嚴格的高路堤或橋頭和路堤過渡段，處治深度可達12～20m。預應力混凝土管樁宜采用正方形布置，場地允許可通過靜壓法沉樁[6]。

2公路軟土路基沉降計算模型

2.1工程實例

以某高速公路項目為研究對象，分析軟土路基沉降變形規律。該公路全長36.8km（起訖樁號為K1+360～K38+160），建設標準為雙向兩車道，設計速度為100km/h，路基寬度為24m。其標準橫斷面布置型式為：0.75m（土路肩）+3.0m（硬路肩）+3.5m×2（行車道）+2.5m（中間帶）+3.5m×2（行車道）+3.0m（硬路肩）+0.75m（土路肩）。地基巖土體以粉質黏土、中砂、基巖等為主。K16+382～K17+657路段存在淤泥、淤泥質土等軟弱土層，厚度在10～15m不均，天然狀態下地基土承載力不能滿足路基填筑要求。

2.2軟土路基有限元模型

（1）計算參數選取

隨著計算機技術的進步，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來研究軟土路基沉降變形規律及影響因素。計算斷面選擇樁號K17+290，模型中路堤邊坡最大高度為16m，填料擬采用碎石土，分兩層來填筑，每級填土高度為8m，邊坡從上至下坡比分別為1：1.5、1：1.75，平臺寬2m。地基土層分兩層，分別為11m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，設計樁長為12m、樁間距為1.5m、樁直徑為0.6m。填料和地基土計算指標見表1。

（2）網格劃分及邊界條件

相關研究成果表明，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軟件中的二維實體單位PLANE42對路基進行網格劃分，網格尺寸選1.5m，CFG加固區域內網格進行加密，網格尺寸選1m，共劃分出單元3856個，節點5672個，如圖3所示。

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[7]。

（3）屈服準則

路基巖土體計算采用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：

（1）

I₁=σ₁+σ₂+σ₃（2）

J₂=[（σ₁-σ₂）²+（σ₂-Σ₃）²+（σ₁-Σ₃）²]/6（3）

式中：α、k——屈服材料常數;

I₁——第一應力不變量;

J₂——第二偏應力不變量;

σ₁——最大主應力;

σ₂——中間主應力;

σ₃——最小主應力。

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，水泥攪拌樁剛度要遠大于土體材料，不適合D-P屈服準則，可采用線彈性計算模型。樁-土接觸面采用罰函數模擬。

3公路軟土路基沉降變形及影響因素分析

3.1軟土路基沉降計算結果

從道路中心線開始，每隔2m布置一個沉降監測點，得出軟土路基處治前后各監測點的豎向壓縮變形

圖4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18.6cm，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5.6cm，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。

3.2軟土路基沉降影響因素

（1）樁間距的影響

在其他計算參數不變的情況下，利用PLAXI8.0軟件建立水泥攪拌樁間距分別為9m、12m、15m、18m、21m的軟土路基模型，得到路堤處治后最大位移和最大應力隨樁間距的變化規律（如圖5所示）。

圖5表明，軟土路基最大沉降隨著樁間距增加而呈不斷增大趨勢，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1.5m提高至3m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<2m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2m。

（2）樁長的影響

在其他計算參數不變的情況下，利用PLAXI8.0軟件建立水泥攪拌樁長度分別為1.5m、2m、2.5m及3.0m的軟土路基模型，得到路堤處治后最大位移和最大應力隨樁長的變化規律如圖6所示。

圖6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10m增至12m，路基沉降降低速率最快。當樁長繼續增加超過18m，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10kPa之內。在綜合考慮施工難度、施工成本、改良效果等因素后，建議采用水泥攪拌樁技術處治軟土路基時樁長可取12～14m。

（3）填土壓實度的影響

《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）要求填方路基壓實度≥90%，故填土模擬壓實度分別取0.90、0.92、0.94、0.96、0.98[8]。在其他參數不變的情況下，得到不同壓實度下軟土路基最大沉降量變化規律如圖7所示。

圖7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%時，路基最大沉降從7.8cm減小至6.2cm，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

本文分析了軟土路基的沉降計算理論、施工控制措施及不同影響因素下的沉降變形規律，主要得到以下幾個方面的結論：

（1）軟土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。

（2）軟土地基控制技術可根據處治深度、實際工況等因素選擇換土墊層法、鋪土工格柵、采用輕質填料、水泥攪拌樁處治、剛性樁處治等。

（3）軟土路基處治后，承載能力和整體穩定性有明顯的提升，各監測點的沉降量均出現一定程度降低，且路基中心點處總沉降變形最大。

（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。

參考文獻

[1]梁剛.高速公路軟土路基施工技術與沉降監測試驗研究[J].西部交通科技，2020（3）：10-13.

[2]溫廣軍，趙博，趙華宏，等.北沿江高速公路河湖沉積相軟土路基沉降規律研究[J].工程與建設，2014，28（1）：85-87.

[3]張銀貴，孫震，朱樹成，等.天津某地區軟土路基沉降有限元分析[J].工程建設與設計，2010（2）：99-102.

[4]宋奕修.高速公路工程軟土路基沉降監測與分析[J].公路交通科技（應用技術版），2013，9（2）：72-75.

[5]王海波.軟土路基沉降機理及沉降預測研究[D].西安：西安建筑科技大學，2009.

[6]吳永全.沉降和位移觀測在軟土路基施工中的應用[J].北方交通，2007（4）：51-53.

[7]谷江波.高速公路軟土路基沉降影響因素與計算分析研究[D].南京：河海大學，2005.

[8]朱兆芳，谷李忠.“軟土路基沉降控制設計新方法”的工程驗證與分析[J].城市道橋與防洪，2001（1）：1-6.