基于水泥改良粉細砂地質場區的路基沉降及受力分析

摘要 為克服粉細砂地質對公路工程建設的不利影響，以某公路工程為依托，運用理論分析、數值模擬和現場監測相結合的研究方法，論證了水泥改良粉細砂用作路基填料的可行性。研究表明：（1）路基單點沉降值和多點沉降值均呈“先增再減后穩定”的變化趨勢，且沉降數據變化趨勢基本一致，表明改良土作為路基填料可滿足路基沉降控制要求；（2）路基中心線靜土壓力在時間上，表現為總體穩定，小幅波動變化，在空間上隨深度變化呈近似線性關系，表明改良土填筑路基受力性能良好，滿足路基填筑需求。

關鍵詞 公路工程項目；粉細砂路基；路基沉降；受力特性

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0111-03

0 引言

粉細砂土層在我國分布廣泛，是公路工程建設常見的不良地質，其力學性能、保水性能、自穩性能較差，若不能有效處理，易造成路基開裂、崩壞等質量弊病。為克服粉細砂地質對公路工程建設的不良影響，該文結合某公路工程施工案例，通過數值模型分析和實地監測相結合的研究方法，深入分析了石灰改良粉細砂填筑路基的沉降和受力特性，可為同類工程施工提供參考價值。

1 工程概況

某公路全長16.92 km，工程沿線粉細砂地質分布廣泛，該類土體承載力性能、自穩性能、顆粒級配較差，受外力作用極易松散位移，無法直接用作路基填筑材料。若外采優良工程土，不僅工程成本過高，對工期延誤較大，且會造成大量資源浪費。經研究，擬采用水泥改良粉細砂方案，加固沿線粉細砂地層。

2 水泥改良加固方案

2.1 水泥改良加固可行性的理論分析

理論計算模型，如圖1所示。

路床上層0.6 m填筑A組土，路床下層1.9 m填筑B組土，路堤填筑C組土，其中B組土為原狀土摻入A組土后的改良土，C組土為工程沿線細粉砂原狀土，路基地層主要參數如表1所示。

路基土體在設計荷載下的固結程度采用平均固結度法計算；地基在施工荷載、路基荷載及設計車載作用下產生的沉降變形采用經驗系數法計算；路基在自身及設計車載下產生的主固結沉降，采用e-p曲線法計算，鑒于該工程沿線土體及改良土特性，此次研究不考慮次固結沉降；路基土體穩定計算采用有效固結應力法，路基邊坡穩定性采用條分法計算，土條寬度為1.0 m，搜索半徑為0.5 m，圓心步長為1.0 m[1]。

路基中心處基底沉降最大，沉降量為8 mm，路基抗滑移系數為1.643，路基沉降數據、穩定性均滿足設計要求，表明風積沙水泥改良土工程性能良好，可滿足路基填料施工要求。

2.2 路基改良加固前后的數值模擬

以上述理論分析模型為研究依據，取表1數據參數，運用有限元分析軟件分別建立原狀土和改良土填筑路基的路基模型，對路基進行受力分析，如圖2所示。

對數值分析模型A、B、C這3個區域動應力進行計算，發現3處區域動應力最大值均出現在路基中心線位置，其動應力值分別為71 kPa、38 kPa、13 kPa，且隨深度增加而減小。由以上結果可知：改良土在當前深度圍壓工況下，最大動強度為90 kPa，滿足路基填筑材料的設計和規范要求[2]。A、B、C，3個區域的沉降模擬計算結果顯示，3個區域沉降位置均處于路基中心線位置，其對應沉降值分別為6.5 mm、3.1 mm、0.9 mm，且最大位移發生位置向左、右、下3個方向不均勻擴建，各向沉降數值隨之降低。路基改良前后的沉降速率、加速度峰值、最大動應力及其衰減率對比如圖3所示。

路基改良前后對應的基頂最大累積沉降分別為10.32 mm、7.62 mm，改良土填筑的路基沉降量降低26.16%，表明路基改良可有效控制基頂沉降[3]。

3 監測分析

3.1 監測概況

結合數值模型分析結果和現場工況，選擇K3+160和K3+180斷面作為監測斷面，對路基沉降和土壓力進行現場監測，通過分析監測數據，檢驗數值模型分析結果的可靠性，為后續正式施工提供數據支撐。

3.2 單點沉降

在K3+160和K3+180斷面各布設兩個沉降檢測點，監測點設置在路基中心線兩側3.95 m處，布設深度為1.70 m。沉降檢測結果表明：（1）單點沉降值前期增加較快，達到峰值后，開始趨于穩定，可知改良土填料可有效控制路基沉降；（2）兩斷面各測點沉降量變化趨勢基本一致，且數值差異較小[4]。

3.3 多點沉降

根據數值模型分析結果，多點沉降測點布設于路基中心線，沉降數據通過沉降板監測，通過控制沉降板埋深監測不同深度路基沉降數據。多點沉降監測結果顯示：（1）路基沉降隨深度增加而減小，K3+160和K3+180兩斷面基頂處，沉降值分別穩定在12.66 cm、7.78 cm，在基頂5 m范圍內，沉降值隨深度增加衰減較快，5 m以下測點幾乎無沉降；（2）K3+160斷面沉降變化曲線在基頂下4 m處重合，表明該斷面主要處沉降發生在基頂以下4 m范圍內，更深處位置基本不發生沉降，K3+160斷面類似現象則出現在基頂以下5 m處。

3.4 土壓力強度

數據采集儀器采用靜土壓力盒。實地監測和數值模型輸出的土壓力隨時間變化曲線如圖4所示，土壓力隨深度變化曲線如圖5所示。

分析圖4、圖5可知：（1）路基施工完成后，路基靜土壓力隨時間變化基本不變，數據波動波幅較總體幾乎可忽略；（2）路基土壓力隨空間深度增加，呈線性增加趨勢，基底處土壓力強度最大[5]。

4 結論

該文結合實體工程，運用數值模擬與現場監測相結合的研究方法，深入分析了改良細粉砂路基沉降和受力特性，結論如下：

（1）采用原狀土填筑路基，基頂最大沉降值為10.32 mm；經路基改良后，基頂最大沉降基本穩定在7.62 mm，路基改良后基頂沉降值降低26.16%，證明改良土可有效控制路基沉降。

（2）路基沉降監測結果顯示，路基沉降主要發生在基頂以下5 m范圍內，5 m以下幾乎不發生沉降；基頂以下5 m范圍內，各深度路基沉降值變化趨勢可大致分為3個階段，前期沉降值快速增加，中期沉降值增速放緩，后期穩定在某個數值，且數值模擬結果與現場監測結果一致，驗證了數值模擬結果的可靠性。

（3）路基靜土壓力施工后隨時間變化基本保持穩定，雖存在小幅變化，但波幅相較于靜壓力穩定值幾乎可忽略不計；路基土壓力隨空間深度增加，呈近似線性增加趨勢。研究驗證了水泥改良粉細砂方案的可行性，結合該工程原狀土調查結果，建議水泥摻配比為5%。

參考文獻

[1]唐競，趙云剛，許德鮮，等.不同埋深粉細砂層旁壓承載特性試驗研究[J].粉煤灰綜合利用，2020（6）：41-44+73.

[2]韓莉，徐韓寶，崔自治，等.銀川平原粉細砂的強度特性[J].土工基礎，2020（1）：33-36.

[3]徐旭，薛彥雨，張振雨，等.富水粉砂層鐵路路基注漿加固體力學特性及沉降規律研究[J].城市建筑，2021，18（24）：178-182+198.

[4]吳鵬.和若鐵路粉細砂包芯路基邊坡穩定性數值模擬分析[J].西部交通科技，2023（8）：168-173.

[5]李鑫.水泥改良粉細砂路基工后沉降及空間應力分布研究[J].路基工程，2020（4）：5-10.

收稿日期：2024-04-22

作者簡介：王連平（1990—），男，本科，助理工程師，主要從事公路工程施工技術工作。