軟土條件下的公路拓寬工程路基沉降控制技術

顧愛兵

(安徽省銅陵市義安區交通運輸局,安徽 銅陵 244000)

0 前 言

改革開放以來,我國的經濟技術水平發展迅猛,主要得益于交通技術的發達和大量公路鐵路形成的交通便利條件[1]。根據交通運輸部公布的數據,截至2020年底,我國的公路總里程接近520萬km,其中高速公路的里程超過了16萬km,均位于世界第一,高速鐵路用于運輸營業的里程約3.8萬km,覆蓋全國大多數的大中小型城市[2]。我國國土面積遼闊,在公路建設的過程中,會面臨不同的土質地質情況,這些情況使得公路的建設受到了嚴重的挑戰[3]。

軟土具有強度低、承載力弱、含水高、可壓縮的特點,是我國在公路建設事業中需要必須面對和處理的問題[4]。公路的建設過程中,需要不斷突破各種技術難題,公路線路選取時,可以盡量選擇避開軟土基質,但是對繞不開的區域,還是需要對其進行正確的處理,以保證我國的交通運輸事業不受影響,提高公路的質量和服務壽命[5]。

沉降變形是軟土路基的主要問題,尤其是在受到大型荷載的作用下,路基變形會使得道路無法使用[6]。針對上述問題,研究了基于軟土路基條件下的公路拓寬工程路基沉降控制技術研究。依照公路路基的設計規范,分析軟土路基的沉降規律,總結經驗教訓,對其進行加固處理,保證各項指標能夠滿足使用的要求。

1 軟土路基加固控制技術

1.1 翻壓回填加固

對于軟土路基的公路拓寬工程,可以采用翻壓回填的路基加固技術,主要的操作流程在于挖出路基中不適用的材料、進行孔隙排水、結構回填和路基壓實幾個步驟[7]。

為了保證施工的有效,需要在如下技術點進行沉降控制。

(1)材料挖出過程需要挖到既定的高度,挖除松散軟土,進行基底壓實操作,利用碎石土進行填充,逐層進行路面壓實處理。

(2)開挖作業必需要有足夠的緩沖寬度,作業寬度需要大于路基邊緣1 m,并制作5%橫坡以保證路基穩定。

(3)碎石土中的石頭含量要大于60%,壓實度要大于95%,且每層壓實土層均需要設置2%的縱坡。

(4)壓實作業需要保證碾壓的次數,根據路段測試結果,對碾壓次數進行修正,保證路面的壓實度符合要求。

1.2 水泥攪拌樁加固技術

對于軟土路基可以采用水泥攪拌樁加固技術,該方法可以有效提升軟土路面的承載能力,且施工效率更高,適用深度約為3～10 m范圍。

根據試驗的結果來確定攪拌樁的直徑和樁長,利用軟件模擬設定樁體之間的距離,水灰比設計需要符合加固要求,利用“四噴四攪”的設計方案,可以有效提高路基的承載力,避免沉降發生。

1.3 片石墊層方案

片石墊層法同樣可以處理軟土路基沉降問題,其主要技術流程為:放樣、路基排水、清除表土、路基加固、壓實。

為了有效控制路基加固的質量,需要在施工中對工藝嚴格要求,對于路基中的明水和淤泥等都需要排出干凈,利用水泵將水抽離,并保證淤泥和軟土等被完全清除。在完全確定路基沒有水的情況下,對其進行填實處理。嚴格控制路基中的軟土摻雜和水含量,避免出現路基彈簧現象。

清除表土的厚度需要根據測試情況來加以確定,保證厚度足夠滿足沉降的要求,片石墊層的厚度同樣需要做好工程測算,利用彎沉值對拋填情況進行測試,不符合標準的工藝均需要返工處理。

片石墊層上方利用碎石進行覆蓋,碎石的厚度一般約為30 cm,可以采用工程沿線的河沙、碎石、花崗巖等作為覆蓋材料,在保證工程質量的前提下,降低工程成本。在碎石層與片石墊層之間利用土工格柵進行工程加固,并在碎石層上方也利用土工格柵進行加固。土工格柵需要采用橫向鋪設方法,施工質量需要嚴格保證。

2 實驗模擬與實驗分析

2.1 實驗條件

以銅陵的快速干道工程為例,分析路基加固技術對于沉降的影響和作用機理,該路段全長4.83 km,施工期60 d,地形并不完全平整,屬于溝壑縱橫的區域,公路沿線總體的地勢特征為兩側偏低,中間凸起,地表高程約為2.52～16.75 m,高差14.23 m。

整個軟土的分布位置相對平坦,土層的主要構成為粘土、粉土以及淤泥等。一般情況下,該基底并不符合公路路基的要求,需要通過加固技術,使其滿足條件要求。該路段中巖層深度不大,地下水的深度較淺,含量較高,土層結果完整,不含斷裂和不良地質,總體來說該工程的條件較差。

施工方案的選取需要根據不同的地質條件來加以選擇,施工路段中可以采用翻壓回填加固和水泥攪拌樁加固技術,以及片石墊層技術等。

對于軟土埋深不大的位置采用翻壓回填加固技術,將不合適的軟土換填處理。對于埋深較大的位置,利用水泥攪拌樁路基加固方法。

對于路段中淤泥含量高,淤泥層后較深的位置,如果采用回填加固的方法則需要挖出的工程量過大,不利于工期的保證和成本的節省,因此可以采用水泥攪拌樁路基加固方法。

重點分析水泥攪拌樁加固技術對于公路拓寬工程的影響,分析不同攪拌樁參數等對于路基加固的影響,力爭尋找到一個合適的解決方案,為路基沉降的控制尋找答案。

2.2 模擬條件設定

由于軟土路基上面的沉降速度的影響因素較多,需要考慮的因素包括側向形變,路面荷載和其他邊界條件等多個因素,因此采用簡單的數值解析法,很難得到滿意的計算結果,因此可以采用工程計算中常用的有限元法來對其進行求解。

有限元法可以準確地模擬出材料屬性與結構性別等方面的真實結果,對于復雜的邊界條件等均能夠有效反映,因此被廣泛應用于工程模擬。主要采用的軟件為Abaqus。該軟件功能強大,使用簡單,適應性強。

軟件的建模過程根據實際土層的情況加以模擬,路基的土層分為4層,分別為素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土和粉質黏土。模型路基寬度為36.52 m,路邊坡度為1∶1.5,路堤的高度根據實驗條件,設定為4.1 m,路堤分4次填完。

為了保證模型的計算效率,對于部分三維問題的處理,需要將其近似成二維問題,因此在模型建立的過程中做出如下假設:

假設面材料均為線彈性,土層模型均為線彈性模型;假設路基兩側不透水,不發生水平方向的位移;假設模型底層不透水,位置固定,所有土層均為均勻分布。

模型參數的設定中,設定地基與路堤連接處的墊層厚度為0.4 m,彈性模量為45 MPa,泊松比選擇為0.4,透水系數為1.1 m/d。

設定水泥攪拌樁的樁體直徑為0.5 m,樁長為8.5 m,樁與樁之間的距離為1.3 m,彈性模量和泊松比分別為120 MPa和0.2。

2.3 結果與分析

(1)水泥攪拌樁樁體模量的影響。

為了分析水泥攪拌樁樁體模量的影響,對其選擇不同的模量值,分析在不同模量狀態下的路基沉降情況。

分別選擇樁體模量的數據分別為50、100、150和200 MPa,其他參數保持不變,從而分析路基沉降的情況,如圖1所示。

圖1 樁體模量對于沉降的影響

圖1中可以看到,對于不同的攪拌樁模量,路基的沉降情況趨勢相同,但是結果表現并不完全一致。路基的沉降情況,隨著攪拌樁模量的增加而減小,并隨著距離路基中心線距離的增大而減小。

模量為最低的50 MPa時,路基沉降最大,為7.054 cm,而模量為200 MPa時,路基的最大沉降為6.031 cm。

從中可以看到,為了有效控制公路拓寬工程中的路基沉降問題,可以在施工過程中,有效控制水泥攪拌樁的模量,模量選擇越大,對于路基沉降的控制效果越好。

(2)攪拌樁樁間距的影響。

攪拌樁的位置同樣能夠影響路基的沉降,分析樁間距的影響,選擇四個不同的樁間距,分別為1.0、1.5、2.0和2.5 m。維持模型其他參數不變,分析由于樁間距而造成的路基沉降情況,結果如圖2所示。

圖2 攪拌樁間距對于沉降的影響

圖2中可以看到,隨著樁間距的逐漸增大,路基的沉降逐漸上升,從路基中心至路基邊界出的沉降逐漸下降,可知其趨勢與上一節相同。

樁間距為最小的1.0 m時,路基沉降的最大值為6.452 cm,而樁間距為最大的2.5 m時,路基沉降的最大值為7.065 cm,差距明顯。

從而可知,對于樁間距變化的情況下,路基沉降出現明顯不同。在施工的過程中,控制水泥攪拌樁的樁間距能夠有效影響路基的沉降情況。但是,當原樁間距很小的情況下,進一步縮小間距的效果會逐漸減弱,此時需要考慮采用其他的方法來改善路面沉降情況。

(3)攪拌樁長度對于路基沉降情況的影響。

攪拌樁的長度同樣能夠對于路基的沉降情況產生影響,在不改變其他參數的條件下,改變攪拌樁的長度,分別選擇6、9、12和15 m四種攪拌樁長度,其仿真結果如圖3所示。

圖3 攪拌樁長度對沉降的影響

圖3中可以看到,對于不同的攪拌樁長度,盡管沉降的變化趨勢相同,均是隨著距離路基中心的距離增大而減小,但是路基的沉降情況還是出現了明顯的區別。攪拌樁長度越長,路基的沉降越少。對于攪拌樁長度為15 m的情況下,此時路基沉降的最大值為3.835 cm。對于攪拌樁長度為最短的6 m 情況時,此時路基最大沉降值為7.025 cm。

數據分析結果可以看到,增加攪拌樁的長度能夠有效抑制路基出現的沉降情況,效果明顯,但水泥攪拌樁的長度越大,建設成本就會越高,因此在選擇路基沉降控制措施時,需要綜合考慮成本與沉降效果之間的平衡情況。

(4)路堤處的填土速率對于路基沉降的效果影響。

為了分析不同的路堤填土速率對于整個公路路基沉降的影響,選擇四種不同的填土速率進行橫向比較,不改變其他的仿真參數,選擇速率分別為1 m/10 d、1 m/15 d、1 m/20 d和1 m/25 d,其數據對比結果如圖4所示。

圖4 路基填土速率對于路基沉降的影響

圖4中可以看到,隨著填土速率的變化,路基沉降的效果出現很大的差異,隨著填土速率的增多,路基沉降最大值越來越大,填土速率為1 m/10 d 時,路基沉降的最大值為6.835 cm,而填土速率為最小的1 m/25 d時,此時路基沉降的最大值下降為6.235 cm。

從而可以說明,對于不同的填土速率,路基沉降還是存在一定的變化,因此在施工過程中,需要控制路堤的填土速率。其主要原因在填土速率越快,路基土體固結的時間越小,從而使得路基沉降會越明顯,反之則會抑制路基沉降情況。但由于工期的限制,也不能無限期的減慢填土速率,因此需要在施工過程中,加以取舍和權衡。

在工程參數和工程成本的權衡之下,在滿足路基沉降基本在工程施工中,快速干道選擇的樁基參數分別為樁基模量為150 MPa,攪拌樁間距1.5 m,攪拌樁長度9 m,填土速率為1 m/15 d,最終路基沉降為5.528 cm,滿足既定工程要求。

3 結 論

針對軟土條件下的公路拓寬工程路基沉降的控制技術,分析了路基沉降的產生原因和加固措施,針對實驗路段,采用水泥攪拌樁加固技術對路基進行加固,分析水泥攪拌樁參數對于沉降結果的影響,從實驗結果上可以看到,水泥樁的模型、樁與樁之間的間距,樁體的長度等,均會對于路基的沉降造成明顯的影響,因此在路面的控制過程中,需要對參數進行選擇,保證路面沉降的控制效果。路堤的填土速率等依然能夠影響路基沉降,因此也需要在建設工期和沉降控制方面進行權衡,以獲得更好的路基沉降控制效果,維持路面結構穩定。