高速公路軟土路基沉降變形及加固措施優化的數值模擬研究

王福滿　孫珂　胡志文

摘要 為研究高速公路軟土路基沉降變形及加固措施優化，文章以山東某高速公路為背景，基于數值模擬軟件，分析不同水泥攪拌樁的彈性模量、樁長、路堤施工間隔時間等條件下路基頂面沉降量的變化規律，最后比較三種因素對路基中心處沉降量的控制效果及性價比。研究結果表明：（1）水泥攪拌樁的彈性模量越大、樁長越長、路堤施工間隔時間越長、距路基中心線距離越遠，路基頂面沉降量越小；（2）增大彈性模量、增大樁長、增加施工間隔時間對沉降控制效果平均為6.24%/20 MPa（以水泥攪拌樁的彈性模量為80 MPa為基準，彈性模量每增大20 MPa，路基頂面沉降量減小6.24%）、17.39%/2 m（以水泥攪拌樁的樁長8 m為基準）、6.48%/10 d（以路堤施工間隔10 d為基準），說明樁長的性價比最高，因此首先考慮增大樁長的方案。

關鍵詞 高速公路；軟土路基；數值模擬；水泥攪拌樁；加固措施優化

中圖分類號 U416文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2024）12-0139-03

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，部分城市道路逐漸趨于飽和。為滿足日常需求，避免交通堵塞，需加快基礎交通設施的建設[1]，但在道路施工過程中需額外注意路基沉降及加固問題。路基沉降會導致路面局部塌陷、路面裂縫等病害發生，嚴重影響行車安全，縮短道路使用壽命[2]。因此，亟需開展路面沉降變形及加固措施的優化研究。

目前，國內外學者分別從不同角度對路面沉降變形及加固措施開展了一系列研究，張建[3]基于PLAXIS有限元軟件，闡述了水泥攪拌樁、CFG樁、預應力混凝土樁等加固方案的工程特點，并研究了CFG樁樁間距、樁長對軟土路基沉降的控制效果；郭昌龍[4]基于數值模擬軟件，研究了水泥攪拌樁對軟土路基沉降量的影響，并分析了水泥攪拌樁樁體模量、樁間距等參數對沉降控制效果的影響；堯強[5]闡述了土工格柵的加固機理，并對土工格柵的施工技術要點進行了研究；曹征磊[6]總結了常用的公路軟土路基處理技術，對每種技術提出了相應的質量控制措施；張佳佳[7]分析了高壓旋噴樁技術對高速公路軟弱路基沉降的控制效果，并研究了土體壓力、孔隙水壓力、位移等變化規律。綜上所述，軟土路基易發生沉降病害，施工過程中應執行科學合理的路基加固方案，但對軟土路基加固方案的優化研究較少。

鑒于此，該文以山東某高速為研究背景，基于FLAC3D有限元軟件，研究水泥攪拌樁的物理力學參數及路堤分層鋪設等對路基頂面沉降量的影響，最后分析不同水泥攪拌樁的彈性模量、樁長、路堤施工間隔時間等三種因素，對路基中心處沉降量的控制效果，比較其性價比，為工程路基加固方案的優化提供依據。

1 工程概況

擬建道路地處黃河沖積平原，上部地層整體土質偏軟。根據地質鉆探揭露情況，沿線一定線路范圍內局部存在物理力學性質不均一、土質較差的軟弱土層，多呈透鏡體狀零星分布，軟土的埋深不一；多為灰黑色、灰褐色、淺灰色的黏土、粉質黏土、粉土；呈軟塑-可塑狀態，具有干強度較低、韌性較差、局部有機質含量較高、物理力學性質不穩定、壓縮性高等特點；壓縮系數為0.45～0.70 MPa?1，孔隙比為0.95～1.20，天然含水率大于35%。

2 數值模型的建立

該文以山東某高速為研究背景，基于FLAC3D有限元軟件，由于道路為對稱結構，選取右側建立數值模型。模型由路面、路堤、沙墊層、土工格柵及粉質黏土層等組成，如圖1所示。

由圖1可知，路面寬為18 m，路堤坡度為1∶1.5，路堤高為5 m；路堤與粉質黏土地基之間鋪設0.5 m厚的沙墊層，沙墊層下方鋪設0.5 m厚的土工格柵，間隔0.5 m鋪設第二層0.5 m厚的土工格柵；第二層土工格柵下方設置長為8 m、樁徑為0.5 m、間隔為1.5 m的水泥攪拌樁群；粉質黏土地基由3種不同性質土層組成，地基長為50 m，高位為20 m，粉質黏土1高度設置為3 m，粉質黏土2高度設置為7 m，粉質黏土3高度設置為10 m；路堤分4層鋪設，相鄰層間的鋪設間歇為10 d。模型結構具體物理力學參數如表1所示。

3 結果分析

3.1 水泥攪拌樁模量的影響

為研究水泥攪拌樁模量對路基沉降的控制效果，該文設置了4種模量梯度：80 MPa、100 MPa、120 MPa、140 MPa，其余數據不變，得到沿路基頂面沉降量隨彈性模量變化如圖2所示。

由圖2可知，路基頂面沉降隨著距路基中心線距離的增大而逐漸減小。彈性模量為80 MPa時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從10.15 cm減小到4.98 cm，減小了50.94%；彈性模量為100 MPa時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從9.36 cm減小到4.51 cm，減小了51.82%；彈性模量為120 MPa時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.91 cm減小到4.36 cm，減小了51.07%；彈性模量為140 MPa時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.68 cm減小到4.14 cm，減小了52.30%。隨著彈性模量的增大，路基頂面各點沉降量在逐漸降低，如距路基中心線距離為10 m，彈性模量80 MPa、100 MPa、120 MPa、140 MPa對應的沉降量分別為8.63 cm、8.03 cm、7.68 cm、7.38 cm。彈性模量的沉降控制效果在逐漸減弱，如路基中心處，沉降控制效果大小為3.89%/10 MPa（彈性模量為100 MPa）＞3.05%/10 MPa（彈性模量為120 MPa）＞2.41%/10 MPa（彈性模量為140 MPa），發現彈性模量為100 MPa較80 MPa的沉降控制效果明顯，但與120 MPa、140 MPa的沉降控制效果差別不大，故彈性模量應選取100 MPa。

3.2 水泥攪拌樁長度的影響

為研究水泥攪拌樁長度對路基沉降的控制效果，該文設置了4種長度梯度：8 m、10 m、12 m、14 m，其余數據不變，得到沿路基頂面沉降量隨樁長變化如圖3所示。

由圖3可知，路基頂面沉降隨距路基中心線距離的增大而逐漸減小。樁長為8 m時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從10.15 cm減小到

4.98 cm，減小了50.94%；樁長為10 m時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.47 cm減小到3.79 cm，減小了55.25%；樁長為12 m時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從6.55 cm減小到2.62 cm，減小了60.00%；樁長為14 m時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從4.71 cm減小到2.19 cm，減小了53.50%。這說明樁長對沉降量的控制效果顯著，樁長14 m方案較樁長8 m方案對路基頂面0～18 m沉降控制效果更好。隨著樁長的增大，路基頂面各點沉降量在逐漸降低，如距路基中心線距離為10 m，樁長8 m、10 m、12 m、14 m對應的沉降量分別為8.63 cm、7.17 cm、5.57 cm、3.82 cm，其余3種方案較樁長8 m方案，沉降量分別減小了16.92%、35.46%、55.74%。說明樁長較彈性模量對路基頂面沉降控制效果更顯著。

3.3 路堤施工間歇時間的影響

為研究路堤施工間歇時間對路基沉降的控制效果，該文設置了3種間歇時間梯度：10 d、20 d、30 d，其余數據不變，得到沿路基頂面沉降量隨施工間歇時間的變化如圖4所示。

由圖4可知，路基頂面沉降隨距路基中心線距離的增大而逐漸減小。施工間隔時間10 d時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從10.15 cm減小到4.98 cm，減小了50.94%；施工間隔時間20 d時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從9.47 cm減小到4.5 cm，減小了52.48%；施工間隔時間30 d時，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.88 cm減小到4.18 cm，減小了52.93%；說明施工間隔時間對路基頂面距路基中心線距離0 m到18 m沉降量的控制效果顯著。隨著施工時間間隔的增大，路基頂面各點沉降量在逐漸降低，如距路基中心線距離為10 m，施工間隔時間10 d、20 d、30 d對應的沉降量分別為8.63 cm、8.07 cm、7.61 cm。

3.4 加固措施優化

該文研究了水泥攪拌樁彈性模量、樁長、路堤施工間隔時間對路基頂面沉降量的影響，發現三個因素與沉降控制效果均有不同程度的正相關性。為便于選出適合該項目的最優方案，以路基中心處沉降控制效果為研究對象，三個因素的控制效果如圖5所示。

由圖5可知，彈性模量每增大20 MPa，沉降量減小率分別為7.78%、6.11%、4.83%；樁長每增大2 m，沉降量降低率分別為16.55%、17.74%、17.87%；施工間隔時間每增大10 d，沉降量降低率分別為6.70%、6.26%；說明樁長在這三因素里的性價比最高，因此在進行沉降控制措施優化時，應首先考慮樁長增大的方案。

4 結語

該文以山東某高速為研究背景，基于FLAC3D有限元軟件，研究水泥攪拌樁的彈性模量、樁長、路堤施工間隔時間等對路基頂面沉降量的影響，最后分析三種因素對路基中心處沉降量的控制效果，比較其性價比，得到如下主要結論：

（1）路基頂面沉降量隨彈性模量、樁長、施工間隔時間的增大在逐漸降低。

（2）從路基頂面中心處到路基邊緣，彈性模量導致的沉降量減小率分別為50.94%（80 MPa）、51.82%（100 MPa）、51.07%（120 MPa）、52.30%（140 MPa）；樁長導致的沉降量減小率分別為55.25%（10 m）、60.00%（12 m）、53.50%（14 m）；施工間隔時間導致的沉降量減小率分別為52.48%（20 d）、52.93%（30 d）。

（3）彈性模量每增大20 MPa，沉降量減小率分別為7.78%、6.11%、4.83%；樁長每增大2 m，沉降量減小率分別為16.55%、17.74%、17.87%；施工間隔時間每增大10 d，沉降量減小率分別為6.70%、6.26%。

（4）在進行沉降控制措施優化時，應首先考慮樁長增大的方案。

參考文獻

[1]趙志斌. 公路軟土路基施工注意問題及改進措施[J]. 交通世界， 2019（7）： 78-79.

[2]李平. 高速公路工程施工中的軟基處理關鍵技術[J]. 交通世界， 2019（Z1）： 98-99.

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[6]曹征磊. 公路軟土路基處理技術及質量控制探析[J]. 交通世界， 2019（11）： 79-80.

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