公路软土路基沉降规律及施工控制技术研究

2021-11-09王啸

西部交通科技 2021年1期

王啸

摘要：为了提高软土地区公路工程建设水平，文章从浅层软土地基处治和深层软土地基处治分析了软土路基的施工控制技术，并以某高速公路项目为研究对象，利用有限元软件PLAXI8.0建立有限元模型，研究了软土路基在水泥搅拌桩处治前后的沉降规律，探讨了桩间距、桩长、填土压实度等参数对软土路基沉降的影响规律。研究成果可为类似的软土路基施工提供理论指导。

关键词：公路;软土路基;沉降变形;施工控制

中图分类号：U416.1文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.012

文章编号：1673-4874（2021）01-0044-04

0引言

随着基础交通设施的投资力度不断加大，公路工程是带动沿线经济发展和区域交流的关键项目，其建设步伐日益加快。由于我国幅员辽阔，地质环境复杂，同时公路项目占用土地面积大，在建设期间可能会遇到淤泥、淤泥质土等软弱土层。软土具有含水量高、压缩系数大、承载力小等特点，选择合理、经济的公路软土路基建设方案，已经成为各参建单位急需解决的关键问题。近年来，国内外学者及工程师也通过现场监测、数值模拟等方法研究公路软土路基处治措施及变形规律：梁刚[1]依托广西某临江高速公路，分析了软土路基的施工方法，并开展现场沉降监测试验，得到了不同监测点的沉降规律;温广军等[2]以马巢路一标段软土路基为研究对象，研究了PHC管桩和双向搅拌桩对软土路基的加固效果，并分析了填土高度和填土速率对软土路基沉降的影响规律;张银贵等[3]结合天津某城市快速路，利用有限元软件PLAXIS模拟了软土路基分层填筑过程中的应力和变形，得到该地区软基沉降固结规律，很好地指导了软土路基施工。因此，研究公路软土路基沉降规律及施工控制技术具有十分重要的工程意义。

1软土地基沉降理论及施工控制措施

1.1软土地基沉降计算理论

在公路工程建设期间，软基变形计算可利用“分层总和法”。沉降变形可分为瞬时沉降（S_d）、主固结沉降（S_c）和次固结沉降（S_s）三个阶段，其中S_d是在加载瞬间（t=0）产生的，此时孔隙水压力难以排出，土颗粒骨架不承受有效應力，只有形状变形而不产生体积压缩，沉降变形与加载速率密切相关;S_c是软土地基沉降的主要组成部分，在荷载作用下，土体中超静孔隙水压力会随着固结时间的增加（0s是发生在主固结沉降基本完成之后（t=+∞），土骨架承担的有效应力不变，土体产生蠕变而导致土体变形量继续增加[4]。软土路基沉降固结模型见图1。

1.2软土地基沉降施工控制措施

（1）浅层软土地基处理

换土垫层法：换填法属于浅层软基处理措施，其基本原理是把地面线高程以下软土层（<3m）挖除，换填成强度大、水稳定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯压密实，以提高地基承载力，减小地基及其下卧层沉降变形[5]。

铺土工格栅：土工格栅加入软土地基中形成加筋土，提高了软土抗剪强度和抗压强度，降低软土压缩性，从而减小软基沉降变形。土工格栅表面粗糙，呈凹凸不平的状态，可以和土颗粒很好地结合在一起，提高土颗粒之间的摩擦力和咬合力。同时，在外荷载作用下，土工格栅和土体压缩模量不同（抵抗变形能力不同），两者发生错动使得土工格栅受拉，出现“界面应力”（如图2所示）。界面应力会限制土工格栅的相对滑动，使得土工格栅必然会承受一定的拉应力。由于土工格栅的抗拉性能良好，可以为土体分担一部分的外部荷载，相当于减少了土体本身的荷载。

采用轻质填料：轻质材料一般重度较小，公路填筑采用轻质材料能有效地降低作用在软土地基上的荷载，从而减小土体中的附加应力和沉降变形。在填筑轻质材料路段和一般路基之间要开挖台阶设置过渡段，台阶高度在0.5～1.0m，坡比宜为1：1～1：2，以确保路基的整体稳定性。

（2）深层软土地基处理

水泥搅拌桩处治：公路工程软基处治中的水泥搅拌桩应按梅花型布置，桩顶铺20cm碎石层，桩径取350～500mm，桩长与桩间距可按照岩土勘察报告中的地勘参数利用理正岩土或有限元软件计算确定，处治深度一般在8～20m。

刚性桩处治：公路工程中常用刚性桩是预应力混凝土管桩，一般用于处理软土地基上荷载大、变形控制严格的高路堤或桥头和路堤过渡段，处治深度可达12～20m。预应力混凝土管桩宜采用正方形布置，场地允许可通过静压法沉桩[6]。

2公路软土路基沉降计算模型

2.1工程实例

以某高速公路项目为研究对象，分析软土路基沉降变形规律。该公路全长36.8km（起讫桩号为K1+360～K38+160），建设标准为双向两车道，设计速度为100km/h，路基宽度为24m。其标准横断面布置型式为：0.75m（土路肩）+3.0m（硬路肩）+3.5m×2（行车道）+2.5m（中间带）+3.5m×2（行车道）+3.0m（硬路肩）+0.75m（土路肩）。地基岩土体以粉质黏土、中砂、基岩等为主。K16+382～K17+657路段存在淤泥、淤泥质土等软弱土层，厚度在10～15m不均，天然状态下地基土承载力不能满足路基填筑要求。

2.2软土路基有限元模型

（1）计算参数选取

随着计算机技术的进步，有限元法在公路软土路基计算中的应用日益广泛，故采用有限元软件PLAXI8.0来研究软土路基沉降变形规律及影响因素。计算断面选择桩号K17+290，模型中路堤边坡最大高度为16m，填料拟采用碎石土，分两层来填筑，每级填土高度为8m，边坡从上至下坡比分别为1：1.5、1：1.75，平台宽2m。地基土层分两层，分别为11m淤泥/淤泥质土和基岩。拟采用水泥搅拌桩法处治，按梅花型布置，设计桩长为12m、桩间距为1.5m、桩直径为0.6m。填料和地基土计算指标见表1。

（2）网格划分及边界条件

相关研究成果表明，网格尺寸、网格数量对模型計算结果和计算效率影响较大。在综合考虑软土路基沉降精确度和计算机运行速度前提下，利用PLAXI8.0软件中的二维实体单位PLANE42对路基进行网格划分，网格尺寸选1.5m，CFG加固区域内网格进行加密，网格尺寸选1m，共划分出单元3856个，节点5672个，如图3所示。

路基模型底部为不透水边界，并对其X方向、Y方向、Z方向完全约束;路堤顶部和边坡坡面为自由边界，可发生竖向压缩变形和水平位移;地基进行X方向约束，只产生竖向压缩变形[7]。

（3）屈服准则

路基岩土体计算采用Druker-Prager屈服准则，该模型在模拟路堤填土力学变形所需的参数容易测定，同时可以考虑填土的抗压强度，还能够弥补摩尔-库伦准则导数在节点处的不连续问题。D-P准则屈服时与破坏面函数是：

（1）

I₁=σ₁+σ₂+σ₃（2）

J₂=[（σ₁-σ₂）²+（σ₂-Σ₃）²+（σ₁-Σ₃）²]/6（3）

式中：α、k——屈服材料常数;

I₁——第一应力不变量;

J₂——第二偏应力不变量;

σ₁——最大主应力;

σ₂——中间主应力;

σ₃——最小主应力。

水泥搅拌桩在施工期间，桩间土不仅与桩共同承担外荷载，还会受到桩侧摩阻力。但是，水泥搅拌桩刚度要远大于土体材料，不适合D-P屈服准则，可采用线弹性计算模型。桩-土接触面采用罚函数模拟。

3公路软土路基沉降变形及影响因素分析

3.1软土路基沉降计算结果

从道路中心线开始，每隔2m布置一个沉降监测点，得出软土路基处治前后各监测点的竖向压缩变形

图4表明，公路软土路基中心点处总沉降变形最大，且距离路基中心越远，路基沉降量越小，但是减小速率基本呈先慢后快的趋势。软基未处治之前，路基最大沉降量为18.6cm，在经水泥搅拌桩法处理后，各监测点的沉降量均出现一定程度降低，此时路基最大沉降量为5.6cm，减小了69.8%。这表明软土地基在经水泥搅拌桩法加固后，其承载能力和整体稳定性有明显的提升，使得路基在相同荷载下产生的压缩沉降降低。

3.2软土路基沉降影响因素

（1）桩间距的影响

在其他计算参数不变的情况下，利用PLAXI8.0软件建立水泥搅拌桩间距分别为9m、12m、15m、18m、21m的软土路基模型，得到路堤处治后最大位移和最大应力随桩间距的变化规律（如图5所示）。

图5表明，软土路基最大沉降随着桩间距增加而呈不断增大趋势，且两者之间基本呈线性正相关关系。当水泥搅拌桩布置间距从1.5m提高至3m时，路基最大沉降增加了33.4%。同时，随着水泥搅拌桩布置间距的增加，路基最大应力也逐渐增加，但增加速率有变缓的趋势。即当桩间距<2m时，路基最大应力快速增加，反之，路基土应力变化不明显。因此，建议采用水泥搅拌桩技术处治软土路基时，桩间距不宜超过2m。

（2）桩长的影响

在其他计算参数不变的情况下，利用PLAXI8.0软件建立水泥搅拌桩长度分别为1.5m、2m、2.5m及3.0m的软土路基模型，得到路堤处治后最大位移和最大应力随桩长的变化规律如图6所示。

图6表明，随着桩长增加，路基最大沉降呈减小趋势，其中路堤竖直向最大位移均大于水平向最大位移。桩长从10m增至12m，路基沉降降低速率最快。当桩长继续增加超过18m，对路基沉降改善效果不明显。而路基最大应力随着水泥搅拌桩长度的变化没有规律性，基本呈波浪形波动，波动范围在10kPa之内。在综合考虑施工难度、施工成本、改良效果等因素后，建议采用水泥搅拌桩技术处治软土路基时桩长可取12～14m。

（3）填土压实度的影响

《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）要求填方路基压实度≥90%，故填土模拟压实度分别取0.90、0.92、0.94、0.96、0.98[8]。在其他参数不变的情况下，得到不同压实度下软土路基最大沉降量变化规律如图7所示。

图7表明，公路软土路基最大沉降量随填土压实度的提高而不断降低，当路基施工压实度从90%提高到98%时，路基最大沉降从7.8cm减小至6.2cm，减少了20.5%。这是因为公路路基填土压实度增加，会提高填料抗剪强度和压缩模量，降低路基的可压缩性、提高其整体稳定性，使得路基沉降减小。同时，当提高填土压实度至某一临界值（96%）后，对软基沉降变形的降低效果并不明显。

4结语

本文分析了软土路基的沉降计算理论、施工控制措施及不同影响因素下的沉降变形规律，主要得到以下几个方面的结论：

（1）软土路基沉降变形随着加载时间的增加而不断增大，基本可分成瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三个阶段。

（2）软土地基控制技术可根据处治深度、实际工况等因素选择换土垫层法、铺土工格栅、采用轻质填料、水泥搅拌桩处治、刚性桩处治等。

（3）软土路基处治后，承载能力和整体稳定性有明显的提升，各监测点的沉降量均出现一定程度降低，且路基中心点处总沉降变形最大。

（4）随着桩间距减小、桩长增加、填土压实度提高，软土路基最大沉降呈不断减少的趋势。

参考文献

[1]梁刚.高速公路软土路基施工技术与沉降监测试验研究[J].西部交通科技，2020（3）：10-13.

[2]温广军，赵博，赵华宏，等.北沿江高速公路河湖沉积相软土路基沉降规律研究[J].工程与建设，2014，28（1）：85-87.

[3]张银贵，孙震，朱树成，等.天津某地区软土路基沉降有限元分析[J].工程建设与设计，2010（2）：99-102.

[4]宋奕修.高速公路工程软土路基沉降监测与分析[J].公路交通科技（应用技术版），2013，9（2）：72-75.

[5]王海波.软土路基沉降机理及沉降预测研究[D].西安：西安建筑科技大学，2009.