环杭州湾地区厚覆盖层桥头路基不同处理方法的效果

2020-06-13吴勇强李秉宜黄筱璐贺新良

科学技术与工程 2020年13期

吴勇强，李秉宜*，黄筱璐，钱彬，贺新良

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，岩土工程科学研究所，南京 210098；2.嘉兴市交通投资集团有限责任公司，嘉兴 314000；3.南京水利科学研究院岩土工程研究所，南京 210024；4.保利长大工程有限公司，广州 510620)

环杭州湾地区是长江三角洲地区经济体系中的重要组成部分，而随着经济的快速发展，道路建设问题也迫在眉睫，但杭州湾地区上部分布厚层冲海积粉土、粉砂，中下部分布海相软土，压缩性高，性质差。通车多年公路路段调研中发现，桥头路段线形差异较大，不均匀沉降较为严重，路基和桥台衔接部分裂缝和损坏，并有不可逆加深的趋势，桥头跳车现象严重，而且现场的情况复杂多变，应采用何种地基处理方式更为适用经济尚不得知。

对于双层地基的特性，学者们已开展了较多研究。如李小勇等[1]、王丙乾等[2]，利用概率统计方法，对双层地基的固结、空间概率和沉降特性进行研究；徐光黎等[3]通过广泛的资料收集和分析，基于室内模型试验、离心机实验和大型原位试验结果，系统地分析了复合地基的各种破坏模式Jeong-Seon[4]采用轴对称有限元分析方法，研究上覆砂土下卧软土载荷传递机理；彭邦阳等[5]建立复合双层地基极限承载力的计算方法和模型；问延熙等[6]通过是室内试验研究荷载面积下硬壳层应力扩散作用以及硬壳层的封闭作用，总结了双层地基承载与变形特性；经绯等[7]、刘光学[8]分别通过现场试验、室内模型试验与数值模拟研究双层地基的变形特征，证明沉降变形量与硬壳层度负相关，与软土层厚度正相关；周骏[9]、冯兴等[10]、毛成琦[11]，利用有限元方法，对上下硬下软地基的受力与变形特性进行分析。曾长贤等[12]针对高速路段的双层软土地基，试验段采用预应力管桩、旋喷桩和强夯等处理方式加固地基不同部位，通过原位测试得到各处理方式下地基的变形特性，对不同处理方式的加固效果进行研究。

可见，对于上覆砂层及下卧淤泥层的复杂状况地基的研究多针对普通地基受力与变形特性，但是针对沉降变形要求更高的桥头地基研究仍较少，特别是加固方式的适用性和经济性方面鲜有研究。所以结合现场试验，针对环杭州湾上覆为粉土、粉砂层，而下卧深埋软土的地基，进行数值模拟研究。旨在对在不同覆盖层与下卧软土厚度多种情况下，进行不同地基处理方式下控制桥头段工后沉降效果对比分析，以期为今后类似工程的设计提供指导。

1 工程概况

1.1 地质情况

研究区域位于环杭州湾冲海积平原区，依托在建的一级公路新东线(新二村-东二区高速公路)，上部主要为厚层冲海积粉土、粉砂层，厚 14.4～26.8 m，状态松散-稍密，性质较差，可能发生液化。下部为厚层海积淤泥质粉质黏土、粉质黏土层，流塑-软塑状，厚度3.10～26.7 m，压缩性高，性质差，属典型的深埋软基，且本工程全线均为软基，软土深度10 m以内的路段占21.9%；软土深度10～20 m 的路段占53.8%；软土深度20 m以上的路段占24.4%，其中软土最厚达26.7 m。

1.2 处理方法

1.2.1 真空井点降水联合强夯法

真空井点降水联合强夯法作为一种复合式的动力排水固结法，其主要包括真空井点降水和强夯击密两方面的内容，是在动力固结法基础上发展而来的适用性更加广泛、施工快速且加固效果更佳良好的动力排水固结法。

现场试验段采用真空井点降水联合强夯法：①真空降水环节。本次试验段施工采用真空井点降水方式，共进行4遍降水。试验场地内间隔设置深管和浅管，降水管采用50 mm的PVC管，其中深管长为6 m，浅管长为3 m，间排距为3.5 m×3.5 m。在距场地外侧2～3 m设置双层封管，两层封管管长分别为4、6 m。②强夯击密工序采用3遍点夯和1次满夯。如图1所示为真空降水效果前后对比图。

图1 真空井点第一遍降水前后对比

1.2.2 引孔旋喷桩加固下卧软土

引孔旋喷桩加固厚覆盖层软土地基通过直接加固多层地基中下卧软弱层保留上层及下层地基完整性，并以高压旋喷桩提高地基承载力来达到加固地基减少工后沉降的目的[13]。

试验段采用引孔高压旋喷桩施工，对厚粉砂土覆盖层下的淤泥层进行加固。旋喷桩处理如图2所示，如图3所示为旋喷桩取芯，桩间距1.6 m，引孔至地基下约22.3 m处，旋喷桩长9 m，穿越淤泥层并嵌入上部粉砂1 m和下部硬土层1.5 m，并采用振动碾压对原地面与地基浅层进行处理。

图2 旋喷桩处理方案

图3 旋喷桩取芯

1.2.3 轻质填料

泡沫混凝土是通过在水泥浆中加入泡沫,经搅拌均匀后浇注成型并养护后得到的一种内部含有封闭气泡的新型建筑材料。因其具有质轻、流动性好、强度易控制、价格低、保温隔热性能好等优点[14]。

试验段采用路用泡沫混凝土的方式，分两层填筑，填筑高度为2.58 m。预制块的尺寸为30 cm×30 cm×40 cm。现场预制块铺设如图4所示。

图4 预制块铺设

2 数值模拟

2.1 方法验证

研究采用有限差分法，数值模拟基于FLAC3D 5.0软件。根据现场实际情况，上部厚覆盖粉砂层厚25 m，下部淤泥质软土厚15 m。考虑对称性，取1/2模型进行计算。考虑尽可能减小边界效应，模型宽度取120 m，加载宽度为20 m。荷载最大值为80 kPa。原始土体参数如表1所示。

通过计算得到了沉降随时间的变化曲线(图5)，证明数值计算模型对于一般路段的现场沉降数据有较好的匹配度。但运营期开始阶段，沉降依然保持相似速率增长，明显超过浙江省地方标准《公路软土地基路堤设计规范》中桥头路堤工后沉降小于10 cm标准，所以需采用有效地基处理方式。

图5 沉降随时间变化

2.2 真空井点降水联合强夯法

2.2.1 参数选值

根据现场试验的结论，经过井点联合强夯处理的地基，部分上部粉砂土的压缩和渗透特性都得到了改善。模拟计算时，将表层至8 m深度内的土体的模量与渗透性进行修正。通过对2.1节未处理地基几何模型进行修正，得到降水联合强夯处理后的地基几何模型(图6)。

图6 降水联合强夯处理地基计算模型

表1 原始土体参数

根据现场试验结果[15]，压缩特性在处理范围内随深度而变化。深度为2 m处，处理后的压缩模量为初始未处理土的2.68倍，深度为8 m时，处理后的压缩模量为处理前的0.94，而且变化的比值可以近似看成随深度而下降，以下拟合公式能够较好地反映二者的关系。

(1)

在数值模拟中，对影响范围内的渗透系数统一取为原粉砂土的1/5。经过初步计算发现，影响深度内对粉砂土的渗透系数的折减，对计算的结果影响较小。

2.2.2 数值模拟计算结果

通过模拟计算可得处理与未处理沉降变化对比曲线(图7)。厚覆盖层25 m，软土层厚15 m的土层分布地基，15 a后最终沉降为35.0 cm，施工期沉降为17.6 cm，工后沉降为17.4 cm，而未处理地基的24.7 cm，可见强夯联合降水可以有效降低工后沉降。

图7 处理与未处理地基沉降变化对比

对不同厚度的土层厚度进行计算，考虑典型地质条件为较厚覆盖层，覆盖层厚度h1取15、20、25 m，下卧软土层厚度h2取值5、10、15、20、25、30 m。数值模拟得到沉降随时间变化如图8所示。

(1)总沉降变化

由图8可知，当覆盖层较厚时，特别是大于等于20 m时，降水联合强夯的处理方式可以降低40%～60%的工后沉降量，是因为高真空降水联合强夯处理后人工硬壳层更有利于应力扩散，从而减小了工后沉降。

(2)工后沉降

按照定义，工后沉降等于总沉降扣除施工期沉降。将工后沉降的数据进行归一化，得到单位填高下的沉降值，见表2。

图8 不同厚度覆盖层与下部软土对沉降的影响

表2 工后沉降与荷载关系

2.3 泡沫混凝土置换法

2.3.1 参数选值

轻质填料的处理方式，即在不改变填筑高度的情况下改变上部荷载，以此减小最终沉降。根据浙江地区相关技术规范，应用时考虑换填泡沫混凝土的容重为550～650 kN/m3，计算时取容重为600 kN/m3。

根据泡沫混凝土填筑路基的结构形式，换填部分与整体填高的比值，可以确定泡沫混凝土换填后荷载的折减率，由于沉降与荷载成线性关系，同时也得到了沉降折减率, 得沉降折减率随填高变化曲线(图9)。

图9 沉降折减率随路基填高变化

2.3.2 数值模拟计算结果

泡沫混凝土通过替换路面以下部分以减小荷载，沉降折减率随着填高的增大而减小。低填高时，荷载减小较少，当填高为2 m时，沉降折减为原来的0.65，当填高为5 m时，沉降折减为原来的0.44。

对填高为5 m时，分析不同土层厚度分布时泡沫混凝土换填后的工后沉降。路基填高5 m时，从表3可以得到，当下卧土层小于10 m时，泡沫混凝土换填处理可以满足桥头路段的工后沉降要求(表3阴影部分)。

表3 泡沫混凝土路基工后沉降(路基填高5 m)

2.4 引孔旋喷桩加固法

2.4.1 参数选值

引孔旋喷桩进行地基处理的数值模拟时，采用复合模量法对下卧层的土体参数进行修正。根据《浙江省公路软土地基路堤设计规范》(DB33/T904—2013)，计算公式如下：

Eps=mEp+(1-m)Es

(2)

(3)

根据实际，对部分下部软弱层进行土体参数的改变，以此模拟旋喷桩加固后的深层土体，桩体参数如表4所示。

表4 桩体参数

注：μ为摩擦系数。

2.4.2 数值模拟计算结果

通过模拟计算(引孔旋喷桩加固模型如图10所示)，得到了引孔旋桩加固下部软弱土的沉降变化。并对不同上下土层厚度分布下的沉降进行分析，得到图11。相同覆盖层厚度时，总沉降随下卧层厚度的变化较小，随着覆盖层厚度的增加而增加。

图10 引孔旋喷桩加固计算模型

通过加固下卧层的处理方式后，沉降变形主要发生在施工期。覆盖层厚度越小，施工期沉降所占总沉降的比例更大。覆盖层为15 m时，施工期沉降占了总沉降的90%以上。由于固结排水路径较短，所以上覆粉砂土较快完成了固结，几乎已全部完成固结，而工后沉降主要发生在下部的加固后的软弱土。同时软弱土已经经过引孔旋喷桩的加固，强度与压缩模量都得以较大程度的提高，故产生的最终沉降也很小。当覆盖层较厚时，施工期完成后，上部粉砂土仍需要一段时间完成固结变形，所以工后沉降仍然有一部分来自上部粉砂土，故覆盖层更厚，工后沉降相对较大。

对工后沉降进行计算，覆盖层小于25 m时都能满足桥头路基工后沉降小于10 cm的要求。部分覆盖层厚较厚情况，工后沉降略大于10 cm的情况，可以通过增加旋喷桩水泥喷量、增大旋喷桩直径，减小桩间距等措施在设计上保证符合标准。

图11 不同分布的覆盖层与下部软土对沉降的影响

表5 引孔旋喷桩加固下卧层工后沉降(填高为5 m)

综合数值模拟结果，在路基填高小于5 m时，引孔旋喷桩加固下部软土时，可以有效减小工后沉降，满足桥头路段路基沉降标准

3 经济性与适用性分析

在相同的处理方法都能达到要求时，需要考虑其经济性。根据相关技术规范及定额，得到不同处理方法的综合造价，如表6所示。

表6 不同处理方式的费用

桥头路段对工后沉降的要求较高，故经济性针对真空井点降水联合强夯、引孔旋喷桩与泡沫混凝土填筑路基常用三种方法进行比较，经济性比较主要涉及的变量为路基填高H、覆盖层厚h1与下部软土层厚度h2。通过计算，不同地基处理方法时，每延米造价与路基填高的变化关系。所以在满足设计要求时，应优先选取该方法，通过数值模拟计算得到不同地基处理方法造价与填高关系图12，显然真空井点降水联合强夯法造价低于其他两种方法。

图12 不同地基处理方法造价与填高关系

比较引孔旋喷桩与泡沫混凝土两种处理方法的费用。由于引孔旋喷桩造价与土层厚度有关，选取典型厚度进行比较。如覆盖层厚度为10 m，下卧层为5 m的情况，当填高小于1.6 m时，泡沫混凝土的造价低于引孔旋喷桩，大于1.6则反之。当覆盖层大于20 m，下卧层大于20 m时，无论填高多少，引孔旋喷桩的造价都高于泡沫混凝土。

因此，桥头地基处理方案选择时，优选考虑不处理与真空井点联合强夯法的方案，在不能满足要求时，在引孔旋喷桩与泡沫混凝土中选取造价更低者。在此原则上，通过表2、表3、表5计算比较得到了地基处理方案选择表(表7)。当路基填高小于1 m时，小于30 m的厚覆盖层地基可以不进行处理。当填高大于1 m时，计算得到考虑经济性因素的代表性填筑高度对应的合理处理方案，可为今后工程提供参考。