高速公路過渡段軟土地基處理數值模擬研究

摘要：為研究水泥攪拌樁與塑料排水板處理的軟土路基過渡段間差異沉降的影響因素，文章通過FLAC3D軟件建立數值模型并進行計算分析，討論填土高度、軟土深度和水泥攪拌樁樁間距對軟土路基過渡段差異沉降的影響，所得結論如下：（1）采取水泥攪拌樁和塑料排水板處理的兩個軟土路基段之間的沉降差異較為明顯，水泥攪拌樁加固區域的工后沉降明顯大于塑料排水板區域；（2）隨著填土高度、軟土深度和水泥攪拌樁樁間距的增大，水泥攪拌樁區域和塑料排水板區域的工后沉降均逐漸增大，過渡段的差異沉降值也在逐漸增大，水泥攪拌樁是否打穿軟土地層對于地基加固效果有很大影響，同時增大樁間距會減弱水泥攪拌樁復合地基的加固效果。

關鍵詞：水泥攪拌樁；塑料排水板；路基過渡段；差異沉降；數值計算；FLAC3D

中圖分類號：U416.1

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，在交通強國戰略的背景下，我國高速公路建設不斷推進，取得了舉世矚目的成就，總里程位居世界前列。然而，由于我國復雜的地理環境，大量工程在建設過程中遇到了諸多挑戰，其中就包括軟土沉降問題［1］。軟土主要分布于我國東部和中部地區，其具有壓縮性大、排水固結慢和抗剪強度低等一系列對工程不利的性質，軟土地區的高速公路在服役期間常會出現沉降過大或不均勻沉降的問題［2］。大量學者對軟土地基加固方法進行研究并取得了較為豐富的成果。柏楊等［3］研究了河道工程水泥土攪拌樁復合地基的抗剪強度指標及邊坡穩定性的計算方法。曾帥［4］依托長沙市經開區黨校路地基處理實際工程，利用ABAQUS軟件建立數值模型，研究了未采取加固措施和采取土工格柵水泥攪拌樁復合地基加固措施下地基的應力與變形特性。楊奕［5］依托寧波市某軟土地基處理實際工程，利用數值模擬的方法分析了堆載預壓處理軟土地基后地基的變形特性。劉運興等［6］依托某公路軟土路基處理實際工程，分析了塑料排水板堆載預壓處理后軟土地基的變形與滲流特性。賀立等［7］依托某海港區深厚軟土路基處理實際工程，通過現場足尺試驗，研究了強夯墊層法對軟土地基的加固效果。張秀勇等［8］利用FLAC 3D軟件建立模型并進行計算分析，研究了碎石樁復合地基加固湖相沉積軟土的效果。已有的對過渡段沉降控制的研究大多集中在路基-橋梁過渡段，在對路基-橋梁過渡段進行處理的過程中，對路基段一般采取復合地基加固，使路基的沉降變形更小，防止“橋頭跳車”的情況出現。然而，一般情況下，軟土路基常會采用排水固結法進行處理，因此，在路基-橋梁過渡段后面一段會出現復合地基處理的路基段與排水固結法處理的路基段，由于次固結沉降的影響，該過渡段的沉降變形極易發生突變，產生差異沉降，發生“二次跳車”的情況。鑒于此，為研究影響分別采取水泥攪拌樁復合地基與排水固結法處理的軟土路基過渡段間差異沉降因素，本文通過FLAC 3D軟件建立數值模型進行計算分析，討論了填土高度、軟土深度和水泥攪拌樁樁間距對過渡段不均勻沉降的影響。

1 數值模型的建立及計算結果分析

1.1 數值模型的建立及驗證

本文依托某高速公路軟土路基地基處理工程進行數值模擬研究。模型尺寸為40 m×2 m×35 m（長×寬×高），模型自上而下分別為路堤填土、素填土、淤泥質亞黏土、亞黏土-1和亞黏土-2。其中0～25 m段采用水泥攪拌樁復合地基加固，水泥攪拌樁樁直徑為0.5 m，樁長為10.0 m，樁間距為1.4 m；25～40 m段采用塑料排水板加固，塑料排水板深度為9.0 m，排水板間距為1.4 m。模型如圖1所示。

根據土體本構模型的特點，本文的數值模型中，淤泥質亞黏土的本構模型采用軟土模型（SS），其他土的本構模型均采用應變硬化模型（HS）模擬。數值模型的參數取值如表1所示。

模型的邊界條件為：施加4個土體側面邊界的法向約束，限制其法向位移，在模型底部設置水平和豎直約束，打開模型上邊界的滲流邊界，關閉模型其他界面的滲流邊界。

選取x=22 m的典型斷面，得到數值計算和現場監測的該斷面位置地表沉降隨時間的變化曲線，如圖2所示。

如圖2所示，數值計算與現場監測的數據表現出很好的一致性，說明本文建立的數值模型和采用的計算參數具有合理性。

1.2 土體位移變化分析

根據模型計算結果，得到過渡段的工后沉降曲線和水平位移曲線如圖3所示。

如圖3所示，過渡段區域的工后沉降值在4～17 cm，采取水泥攪拌樁復合地基和排水固結法處理的兩個路基段之間的沉降差異較為明顯，水泥攪拌樁區域的最大工后沉降為16.6 cm，塑料排水板區域的工后沉降約為4.0 cm。分析其原因為：塑料排水板區域在前期堆載的作用下，固結速度較快，同時產生較大的沉降，地基可更快地趨于穩定，而在水泥攪拌樁復合地基區域，其初期的豎向位移較小，地基內部超靜孔隙水壓力的消散速度較慢，地基的穩定性與塑料排水板區域相比較差，工后沉降較大。在塑料排水板的作用下，排水板和水泥攪拌樁過渡區域的水泥攪拌樁下臥層和樁間土的超靜孔隙水壓力沿著臨近的塑料排水板逐漸消散，導致排水板和水泥攪拌樁過渡區域的工后沉降增大，形成“二次跳車”。過渡段區域的水平位移主要出現在預壓階段，越靠近過渡界面的位置，水平位移值越大，其峰值約為5.5 cm。出現該現象的主要原因是排水板區域的前期沉降值遠大于水泥攪拌樁區域，較大的沉降差引起了水平位移。

2 過渡段差異沉降影響因素分析

為研究分別采取水泥攪拌樁和塑料排水板處理的軟土路基過渡段的差異沉降的影響因素，本節通過設計不同的試驗工況，利用FLAC 3D軟件建立數值模型進行計算，分析填土高度、軟土深度和水泥攪拌樁樁間距對軟土路基過渡段差異沉降的影響。

2.1 填土高度對過渡段差異沉降的影響

為了研究填土高度對過渡段差異沉降的影響，本節通過改變填土高度，分別選取填土高度為3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m進行計算，分析填土高度對過渡段沉降的影響，得到不同填土高度下的過渡段的工后沉降曲線如圖4所示。

如圖4所示，隨著填土高度的增大，水泥攪拌樁區域和塑料排水板區域的工后沉降逐漸增大，過渡段的差異沉降值也在逐漸增大。填土高度分別為3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m時，水泥攪拌樁區域的最大工后沉降值分別為4.7 cm、15.6 cm、23.9 cm、29.5 cm、33.5 cm、34.4 cm，塑料排水板區域的最大工后沉降值分別為5.5 cm、6.2 cm、7.7 cm、9.0 cm、10.5 cm、11.9 cm，過渡段的差異沉降分別為1.2 cm、9.4 cm、16.3 cm、20.6 cm、23.0 cm、22.5 cm。在每增加1 m填土高度的條件下，塑料排水板區域的工后沉降差值基本保持不變，均為2～3 cm，而在水泥攪拌樁區域，每兩級填土的工后沉降差值隨填土高度的增加而逐漸減小，逐漸由11 cm減小至1 cm，說明水泥攪拌樁區域的工后沉降受填土高度的影響更大。隨著填土高度的逐漸增大，軟土路基過渡段的縱向影響長度增大，差異沉降也在增大。

2.2 軟土深度對過渡段差異沉降的影響

為了研究軟土深度對過渡段差異沉降的影響，本節通過改變軟土深度，分別選取軟土深度為8.0 m、10.0 m、12.0 m、14.0 m、16.0 m進行計算，分析軟土深度對過渡段沉降的影響，得到不同軟土深度下的過渡段的工后沉降曲線如圖5所示。

如圖5所示，隨著軟土深度的增大，水泥攪拌樁區域和塑料排水板區域的工后沉降逐漸增大，過渡段的差異沉降值也在逐漸增大。軟土深度為8.0 m、10.0 m、12.0 m、14.0 m、16.0 m時，水泥攪拌樁區域的最大工后沉降值分別為18.6 cm、23.3 cm、35.7 cm、43.1 cm、49.6 cm，塑料排水板區域的最大工后沉降值分別為4.0 cm、7.8 cm、14.9 cm、21.9 cm、29.1 cm，過渡段的差異沉降分別為14.4 cm、15.5 cm、20.7 cm、21.2 cm、20.6 cm。軟土路基過渡段的水泥攪拌樁區域的工后沉降明顯大于塑料排水板區域，且在每增加2 m軟土深度的條件下，隨著軟土深度的增大，水泥攪拌樁區域工后沉降的增加值明顯大于塑料排水板區域。同時值得注意的是，在每增加2 m軟土深度的條件下，當軟土深度由10 m增大到12 m時，過渡段的差異沉降由15.5 cm增至20.7 cm，增量最大，達到了5.3 cm。分析原因為：當軟土深度為10 m時，水泥攪拌樁的樁長與軟土深度相等，此時樁端仍可以與下臥層接觸，下臥層可提供一定的支撐力，對水泥攪拌樁復合地基的加固效果有一定貢獻，然而當軟土深度為12 m時，水泥攪拌樁的樁長小于軟土深度，即水泥攪拌樁未打穿軟土，樁端與下臥層之間沒有接觸，未能起到很好的加固地基的效果。綜上可知，水泥攪拌樁是否打穿軟土地層對于地基加固效果有很大影響。

2.3 樁間距對過渡段差異沉降的影響

為了研究樁間距對過渡段差異沉降的影響，本節通過改變樁間距，分別選取樁間距為1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m進行計算，分析樁間距對過渡段沉降的影響，得到不同樁間距下的過渡段的工后沉降曲線如圖6所示。

如圖6所示，隨著樁間距的增大，水泥攪拌樁區域和塑料排水板區域的工后沉降逐漸增大，過渡段的差異沉降值也在逐漸增大。樁間距分別為1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m時，水泥攪拌樁區域的最大工后沉降值分別為5.1 cm、11.5 cm、18.6 cm、25.7 cm、29.1 cm，塑料排水板區域的最大工后沉降值分別為2.8 cm、3.3 cm、4.0 cm、4.7 cm、5.5 cm，過渡段的差異沉降分別為2.3 cm、8.1 cm、14.6 cm、21.0 cm、23.7 cm。水泥攪拌樁區域的工后沉降值大于排水板區域，且在每增加0.2 m樁間距的條件下，攪拌樁區域的工后沉降增加值明顯大于排水板區域；隨著樁間距的逐漸增大，攪拌樁區域的工后沉降增加值呈現先增大再減小的趨勢；當樁間距由1.2 m增大到1.4 m時，過渡段的差異沉降由8.1 cm增大到14.6 cm，此時過渡段的差異沉降增量最大，達到了6.5 cm，說明增大樁間距會減弱水泥攪拌樁復合地基的加固效果，在實際工程中應選擇能保證達到預期加固效果的合理樁間距。

3 結語

（1）采取水泥攪拌樁和塑料排水板處理的兩個軟土路基段之間的沉降差異較為明顯，塑料排水板區域在前期堆載的作用下固結速度較快，地基更快趨于穩定，而水泥攪拌樁加固區域初期內部超靜孔隙水壓力的消散速度較慢，地基的穩定性較差，工后沉降較大。排水板和攪拌樁過渡區域的攪拌樁下臥層和樁間土的超靜孔隙水壓力沿著臨近的塑料排水板逐漸消散，導致排水板和水泥攪拌樁過渡區域的工后沉降增大，形成“二次跳車”。

（2）隨著填土高度的增大，水泥攪拌樁區域和塑料排水板區域的工后沉降逐漸增大，過渡段的差異沉降值也在逐漸增大。在每增加1 m填土高度的條件下，塑料排水板區域的工后沉降差值基本保持不變，而在水泥攪拌樁區域，每兩級填土的工后沉降差值隨填土高度的增加而逐漸減小，說明水泥攪拌樁區域的工后沉降受填土高度的影響更大。

（3）隨著軟土深度的增大，水泥攪拌樁區域和塑料排水板區域的工后沉降逐漸增大，過渡段的差異沉降值也在逐漸增大。水泥攪拌樁樁長大于軟土深度時，下臥層可提供一定的支撐力，對水泥攪拌樁復合地基的加固效果有一定貢獻；而當水泥攪拌樁樁長小于軟土深度時，樁端與下臥層之間沒有接觸，未能起到加固地基的效果，水泥攪拌樁是否打穿軟土地層對于地基加固效果有很大影響。

（4）隨著樁間距的增大，水泥攪拌樁區域和塑料排水板區域的工后沉降逐漸增大，過渡段的差異沉降值也在逐漸增大。當樁間距由1.2 m增大到1.4 m時，過渡段的差異沉降增量最大，說明增大樁間距會減弱水泥攪拌樁復合地基的加固效果。

參考文獻

［1］崔 凱，楊文恒.軟土路基沉降的聯合法預測研究［J］.西南交通大學學報，2017，52（5）：926-934.

［2］吳 楠，肖軍華.軟土地區地鐵高架結構不均勻沉降特征與影響因素［J］.交通運輸工程學報，2017，17（2）：12-20.

［3］柏 楊，姜晨冰，趙 地，等.水泥土攪拌樁在濱海軟土地基加固中的應用［J］.人民黃河，202 44（S2）：280-281.

［4］曾 帥.基于ABAQUS的土工格柵和水泥攪拌樁復合地基加固研究［J］.城市道橋與防洪，2023（3）：48-53，15.

［5］楊 奕.堆載預壓法處理軟土地基的應用研究［J］.建筑結構，202 52（S2）：2 155-2 157.

［6］劉運興，楊永民，楊智誠.塑料排水板堆載預壓技術處理軟土路基變形特性研究［J］.廣東土木與建筑，2023，30（2）：23-26.

［7］賀 立，廖小明.強夯墊層法在海港軟土路基處理中的應用［J］.水運工程，2023（4）：185-190.

［8］張秀勇，王海龍，李 杰.碎石樁復合地基在大麗高速公路軟土地基處理中的應用［J］.河海大學學報（自然科學版），202 49（5）：455-459.

收稿日期：2023-10-11

作者簡介：李 蕓（1989—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。