石峰

摘要 软土作为公路建设中经常出现的不良地质，其较小的抗变形能力及承载强度极易对公路行车稳定性造成一定威胁。分析软土路基的沉降，提出相應的处治措施，以确保公路使用耐久性。文章依托新疆某高速公路软土填方路基进行ANSYS有限元的变形分析，并且对软土路基经土工格栅+水泥搅拌桩复合加固处理后的变形效果进行评估。结果表明，加固后的软土路基顶部、底部的竖向与水平向变形得到了明显限制；15年工后沉降最大值4.8 cm，满足技术规范要求；加固后复合地基竖向应力多集中于桩体，土体竖向应力分布得到有效减弱。

关键词 软土路基；复合加固；工后沉降

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0042-03

0 引言

公路路基作为公路工程建设的主要内容，直接关联公路建设质量。软土路基过大的沉降会造成公路运营风险增大，引发交通安全事故。因此，公路软土路基需要依据实际建设环境，选取科学合理的加固方法进行加固。在公路路基设计及施工阶段，需要严格依照相关技术规范控制软土路基沉降，增大软土承载强度，减小压缩性，确保路基长期使用的稳定性。目前常采取排水固结、加筋、夯实、水泥搅拌桩等加固技术对软土路基进行处治。不同加固技术下的软土路基力学响应不同。开展软土路基沉降及加固措施研究具有重要的社会经济效益。

1 软土路基沉降处治技术

1.1 沉降特性

软土是公路路基修筑阶段经常遇到的土质结构。软土路基极容易在外在荷载作用下产生过大沉降，导致路基结构失稳和后续公路沉陷等病害。软土路基沉降主要包括瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降3类，如图1所示。瞬时沉降主要在路基不排水情况下受荷载作用产生了瞬时变形，该阶段孔隙水没有排出土体，路基总体积不变化，多由骨架蠕变导致。主固结沉降则主要是路基在荷载施加下孔隙水排出、超孔隙水压力不断消散产生的沉降，是路基沉降的主要构成部分。次固结沉降则是路基骨架有效应力不变而结构随时间变化使内部应力重新分布而产生的沉降，该阶段土体内部的超孔隙水压力基本完全消散。

1.2 常用加固技术

1.2.1 换填法

软土路基换填技术主要是将路基底部深度较小的软土层挖除，并且替换成稳定性好、强度高、质地坚硬的材料，在此基础上开展振动压实处理。换填法采取的材料多以沿线周围分布较为广泛，且容易被压实、渗透系数较大的砂土和砾石为主。换填法形成的下部结构有助于将路基上部荷载进行充分扩散，改善地基承载强度，主要适用于浅层地基的加固，如淤泥质土、粉砂土、杂填土、黄土等。换填法处理深度一般较小，控制在3 m以内，需要依据工程建设环境、地质、水文、上覆荷载等合理控制换填法施工参数。

1.2.2 土工合成材料法

土工合成材料技术主要采取合成材料进行路基的复合加固处理。软土路基填筑阶段，土工合成材料采取以下步骤进行施工：表层土挖除、平整化处理；铺设土工合成材料，并且摊铺平整化上部砂石；路基填筑及压实。土工合成材料施工如图2所示[1]。实际采取的土工合成材料种类较多，依据不同加工工艺可分为以下几种：一是土工织物，作为常用的透水性加固材料，可分为有纺型、无纺型土工织物两类；二是土工膜，其表层具备防水膜，主要由聚合物和沥青材料制作而成，依靠其横向加筋功能实现路基加固；三是土工复合材料，其是由多种不同土工材料搭配而成，适用于特殊功能要求的路基加固中；四是土工特种材料，主要分为土工格室、土工网、土工格栅等类别，造价偏高，路基加固中较为常用。

1.2.3 水泥搅拌桩法

水泥搅拌桩法路基加固主要是在软土路基中喷射水泥固化剂，促使软土和水泥产生化学反应而提升路基强度和抗变形能力。水泥搅拌桩法具备明显应用优势，如喷射固化剂能够避免对周围土层产生扰动（下卧层几乎不受影响）；固化剂种类较多，可依据实际土层参数进行不同比例搭配；搅拌桩沉入施工对周围环境影响较小等。水泥搅拌桩施工如图3所示[2]。

2 工程概况

新疆省内某高速公路设计里程K0+000～K20+250，全长20.25 km，设计宽度20 m，双向六车道设计，设计车速80 km/h。路线穿越地形较为复杂，沿线沟壑纵横。软土地质主要分布于K2+000～K4+150段，该路段多以填方路基为主，平均填筑高度达到了6 m，路面结构设计见表1。经现场地质勘察可知岩性分布如下：首层为杂填土，平均厚度6 m，稍湿、松散，呈黄褐色，内部含有少量碎石；第二层则为粉质黏土，平均厚度18 m，软塑状，呈黄灰色，强度较低；第三层则为淤泥质黏土，平均厚度18 m，呈灰色，流塑状，强度韧性偏低，内部含有较多粉土。土层相关物理参数见表2[3]。该路段的工程地质相对较差，路基填筑施工中极容易产生沉降过大，继而引发相关路基病害。项目选取断面K2+500为典型断面，由于该处软土埋深过大，拟采取土工格栅+水泥搅拌桩法进行路基沉降控制分析。

3 有限元模型分析

3.1 模型构建

试验路段典型断面K2+500填筑高度6 m，沿路基中线两侧对称，路基边坡坡度设计为1∶1.2，路基断面宽度达到了35 m，现场拟采取分层和分段施工，共分为4次填筑，单层填筑高度为1.5 m，之后开展路面结构层施工。项目主要采取ANSYS对该断面进行沉降分析，为避免模型边界造成的边界效应，设定模型地基深度40 m，地基宽度80 m。其中，模型软土地基两侧和底部设置为不透水边界，两侧限制地基水平位移，底部限制垂直和水平向位移，地基顶部则需要设定为排水界面。项目主要采取土工格栅+水泥搅拌桩进行路基加固处理，垫层需要布设在地基和软土路基衔接位置，其厚度0.6 m，泊松比为0.28，弹性模量45 MPa，容重21 kN/m3。路基底部位置增设一层土工格栅，张拉模量3 880 MPa，泊松比0.27。垫层以下地基中则需要构建水泥搅拌桩，桩间距设定为1.5 m，泊松比0.21，桩长10 m，桩径0.6 m。路基填筑施工模拟阶段则需要合理设定固结分析步，分别对路基每层填筑施工和施工间断产生的土层固结进行模拟，路基施工结束之后则需要进行15年工后沉降分析[4]。

3.2 计算分析

3.2.1 沉降

路基沉降作为路基施工关键控制指标，为有效分析土工格栅+水泥搅拌桩路基加固和未加固情况下的沉降效果，该文分别构建相应的有限元模型，并且对路基顶部15年工后竖向变形进行统计。由于选取断面沿路基中心线两侧呈对称，项目主要选取左侧断面开展分析，计算获取路基沉降值对比如图4所示。结果表明，土工格栅+水泥搅拌桩复合加固效果良好，路基顶部沉降有明显的弱化趋势；路基中心线位置存在最大沉降，其中未加固路基顶部位置沉降值达到了23 cm，而加固后的路基顶部最大沉降值则仅为4.8 cm，满足相关技术规范允许的范围[5]。

3.2.2 水平位移

路基横向水平位移是路基边坡坍塌控制的主要指标，項目为分析不同情况下路基横向变形情况，选取路基底部作为分析位置，获取图5所示路基底部15年工后水平位移发展情况。结果表明，土工格栅+水泥搅拌桩能够有效限制路基底部位置水平位移；路基底部水平位移随着距路基中心线越远而不断增大，坡脚位置的水平位移达到最大，未加固情况下坡脚最大水平位移为8.5 cm，加固后则仅为2.8 cm。因此，土工格栅+水泥搅拌桩技术能够有效控制路基横向变形，稳定效果显著[6]。

3.2.3 竖向应力分布

经土工格栅+水泥搅拌桩加固后的断面15年工后沉降稳定时的应力分布明显区别于未经加固后的断面应力分布，其中，未加固断面中竖向应力主要集中分布于路基中心线底部位置，而加固后的竖向应力则主要集中于水泥搅拌桩位置，土层应力值明显要偏小，且扩散范围也相对要窄。由此可见，该加固技术形成的复合地基承载强度高，复合加固促使土层原有竖向应力得到重分布，地基土中的竖向应力得到弱化，继而降低路基整体沉降[7]。

4 结语

软土路基作为路基施工常见的不良地质，其沉降控制需要得到充分重视。该文依托新疆某高速公路软土填筑路基开展土工格栅+水泥搅拌桩的加固效果分析，获取有效结论：加固处理后的软土填方路基水平位移及沉降均得到了有效控制，路基15年工后沉降最大值为4.8 cm，小于规范允许值；此外，加固后复合地基的承载强度和抗变形能力明显得到了改善，其内部应力主要集中于桩体，土层应力值偏小，沉降也较小。该文所做研究能够为软土路基加固提供一定参考。

参考文献

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