公路軟土路基沉降與處理對策研究

石峰

摘要 軟土作為公路建設中經常出現的不良地質，其較小的抗變形能力及承載強度極易對公路行車穩定性造成一定威脅。分析軟土路基的沉降，提出相應的處治措施，以確保公路使用耐久性。文章依托新疆某高速公路軟土填方路基進行ANSYS有限元的變形分析，并且對軟土路基經土工格柵+水泥攪拌樁復合加固處理后的變形效果進行評估。結果表明，加固后的軟土路基頂部、底部的豎向與水平向變形得到了明顯限制；15年工后沉降最大值4.8 cm，滿足技術規范要求；加固后復合地基豎向應力多集中于樁體，土體豎向應力分布得到有效減弱。

關鍵詞 軟土路基；復合加固；工后沉降

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0042-03

0 引言

公路路基作為公路工程建設的主要內容，直接關聯公路建設質量。軟土路基過大的沉降會造成公路運營風險增大，引發交通安全事故。因此，公路軟土路基需要依據實際建設環境，選取科學合理的加固方法進行加固。在公路路基設計及施工階段，需要嚴格依照相關技術規范控制軟土路基沉降，增大軟土承載強度，減小壓縮性，確保路基長期使用的穩定性。目前常采取排水固結、加筋、夯實、水泥攪拌樁等加固技術對軟土路基進行處治。不同加固技術下的軟土路基力學響應不同。開展軟土路基沉降及加固措施研究具有重要的社會經濟效益。

1 軟土路基沉降處治技術

1.1 沉降特性

軟土是公路路基修筑階段經常遇到的土質結構。軟土路基極容易在外在荷載作用下產生過大沉降，導致路基結構失穩和后續公路沉陷等病害。軟土路基沉降主要包括瞬時沉降、主固結沉降、次固結沉降3類，如圖1所示。瞬時沉降主要在路基不排水情況下受荷載作用產生了瞬時變形，該階段孔隙水沒有排出土體，路基總體積不變化，多由骨架蠕變導致。主固結沉降則主要是路基在荷載施加下孔隙水排出、超孔隙水壓力不斷消散產生的沉降，是路基沉降的主要構成部分。次固結沉降則是路基骨架有效應力不變而結構隨時間變化使內部應力重新分布而產生的沉降，該階段土體內部的超孔隙水壓力基本完全消散。

1.2 常用加固技術

1.2.1 換填法

軟土路基換填技術主要是將路基底部深度較小的軟土層挖除，并且替換成穩定性好、強度高、質地堅硬的材料，在此基礎上開展振動壓實處理。換填法采取的材料多以沿線周圍分布較為廣泛，且容易被壓實、滲透系數較大的砂土和礫石為主。換填法形成的下部結構有助于將路基上部荷載進行充分擴散，改善地基承載強度，主要適用于淺層地基的加固，如淤泥質土、粉砂土、雜填土、黃土等。換填法處理深度一般較小，控制在3 m以內，需要依據工程建設環境、地質、水文、上覆荷載等合理控制換填法施工參數。

1.2.2 土工合成材料法

土工合成材料技術主要采取合成材料進行路基的復合加固處理。軟土路基填筑階段，土工合成材料采取以下步驟進行施工：表層土挖除、平整化處理；鋪設土工合成材料，并且攤鋪平整化上部砂石；路基填筑及壓實。土工合成材料施工如圖2所示[1]。實際采取的土工合成材料種類較多，依據不同加工工藝可分為以下幾種：一是土工織物，作為常用的透水性加固材料，可分為有紡型、無紡型土工織物兩類；二是土工膜，其表層具備防水膜，主要由聚合物和瀝青材料制作而成，依靠其橫向加筋功能實現路基加固；三是土工復合材料，其是由多種不同土工材料搭配而成，適用于特殊功能要求的路基加固中；四是土工特種材料，主要分為土工格室、土工網、土工格柵等類別，造價偏高，路基加固中較為常用。

1.2.3 水泥攪拌樁法

水泥攪拌樁法路基加固主要是在軟土路基中噴射水泥固化劑，促使軟土和水泥產生化學反應而提升路基強度和抗變形能力。水泥攪拌樁法具備明顯應用優勢，如噴射固化劑能夠避免對周圍土層產生擾動（下臥層幾乎不受影響）；固化劑種類較多，可依據實際土層參數進行不同比例搭配；攪拌樁沉入施工對周圍環境影響較小等。水泥攪拌樁施工如圖3所示[2]。

2 工程概況

新疆省內某高速公路設計里程K0+000～K20+250，全長20.25 km，設計寬度20 m，雙向六車道設計，設計車速80 km/h。路線穿越地形較為復雜，沿線溝壑縱橫。軟土地質主要分布于K2+000～K4+150段，該路段多以填方路基為主，平均填筑高度達到了6 m，路面結構設計見表1。經現場地質勘察可知巖性分布如下：首層為雜填土，平均厚度6 m，稍濕、松散，呈黃褐色，內部含有少量碎石；第二層則為粉質黏土，平均厚度18 m，軟塑狀，呈黃灰色，強度較低；第三層則為淤泥質黏土，平均厚度18 m，呈灰色，流塑狀，強度韌性偏低，內部含有較多粉土。土層相關物理參數見表2[3]。該路段的工程地質相對較差，路基填筑施工中極容易產生沉降過大，繼而引發相關路基病害。項目選取斷面K2+500為典型斷面，由于該處軟土埋深過大，擬采取土工格柵+水泥攪拌樁法進行路基沉降控制分析。

3 有限元模型分析

3.1 模型構建

試驗路段典型斷面K2+500填筑高度6 m，沿路基中線兩側對稱，路基邊坡坡度設計為1∶1.2，路基斷面寬度達到了35 m，現場擬采取分層和分段施工，共分為4次填筑，單層填筑高度為1.5 m，之后開展路面結構層施工。項目主要采取ANSYS對該斷面進行沉降分析，為避免模型邊界造成的邊界效應，設定模型地基深度40 m，地基寬度80 m。其中，模型軟土地基兩側和底部設置為不透水邊界，兩側限制地基水平位移，底部限制垂直和水平向位移，地基頂部則需要設定為排水界面。項目主要采取土工格柵+水泥攪拌樁進行路基加固處理，墊層需要布設在地基和軟土路基銜接位置，其厚度0.6 m，泊松比為0.28，彈性模量45 MPa，容重21 kN/m3。路基底部位置增設一層土工格柵，張拉模量3 880 MPa，泊松比0.27。墊層以下地基中則需要構建水泥攪拌樁，樁間距設定為1.5 m，泊松比0.21，樁長10 m，樁徑0.6 m。路基填筑施工模擬階段則需要合理設定固結分析步，分別對路基每層填筑施工和施工間斷產生的土層固結進行模擬，路基施工結束之后則需要進行15年工后沉降分析[4]。

3.2 計算分析

3.2.1 沉降

路基沉降作為路基施工關鍵控制指標，為有效分析土工格柵+水泥攪拌樁路基加固和未加固情況下的沉降效果，該文分別構建相應的有限元模型，并且對路基頂部15年工后豎向變形進行統計。由于選取斷面沿路基中心線兩側呈對稱，項目主要選取左側斷面開展分析，計算獲取路基沉降值對比如圖4所示。結果表明，土工格柵+水泥攪拌樁復合加固效果良好，路基頂部沉降有明顯的弱化趨勢；路基中心線位置存在最大沉降，其中未加固路基頂部位置沉降值達到了23 cm，而加固后的路基頂部最大沉降值則僅為4.8 cm，滿足相關技術規范允許的范圍[5]。

3.2.2 水平位移

路基橫向水平位移是路基邊坡坍塌控制的主要指標，項目為分析不同情況下路基橫向變形情況，選取路基底部作為分析位置，獲取圖5所示路基底部15年工后水平位移發展情況。結果表明，土工格柵+水泥攪拌樁能夠有效限制路基底部位置水平位移；路基底部水平位移隨著距路基中心線越遠而不斷增大，坡腳位置的水平位移達到最大，未加固情況下坡腳最大水平位移為8.5 cm，加固后則僅為2.8 cm。因此，土工格柵+水泥攪拌樁技術能夠有效控制路基橫向變形，穩定效果顯著[6]。

3.2.3 豎向應力分布

經土工格柵+水泥攪拌樁加固后的斷面15年工后沉降穩定時的應力分布明顯區別于未經加固后的斷面應力分布，其中，未加固斷面中豎向應力主要集中分布于路基中心線底部位置，而加固后的豎向應力則主要集中于水泥攪拌樁位置，土層應力值明顯要偏小，且擴散范圍也相對要窄。由此可見，該加固技術形成的復合地基承載強度高，復合加固促使土層原有豎向應力得到重分布，地基土中的豎向應力得到弱化，繼而降低路基整體沉降[7]。

4 結語

軟土路基作為路基施工常見的不良地質，其沉降控制需要得到充分重視。該文依托新疆某高速公路軟土填筑路基開展土工格柵+水泥攪拌樁的加固效果分析，獲取有效結論：加固處理后的軟土填方路基水平位移及沉降均得到了有效控制，路基15年工后沉降最大值為4.8 cm，小于規范允許值；此外，加固后復合地基的承載強度和抗變形能力明顯得到了改善，其內部應力主要集中于樁體，土層應力值偏小，沉降也較小。該文所做研究能夠為軟土路基加固提供一定參考。

參考文獻

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