伍太航
貴州省鎮甯公路管理段
摘 要：軟土路基力學性質差，在自重應力和附加應力作用下容易産生過大工後沉降。文章分析了公路軟土路基的應力和沉降計算方法，探讨了換填法、排水固結法、強夯法、樁土複合地基法等在軟土路基進行中的應用，并以某公路項目為研究對象，利用有限元軟體Plaxis建立計算模型，分析軟土路基用水泥攪拌樁處理前後的沉降變化規律。
關鍵詞：軟土路基;沉降計算;處理措施;有限元軟體;水泥攪拌樁;
作者簡介：伍太航（1986—）,男,大學,工程師,從事公路橋梁建設管理工作。;
0 引言
公路工程屬于線形構造物，建設裡程長，不可避免會經過特殊岩土區域，如軟土。與一般路基相比，軟土力學性質較差，比如承載力低、強度低、可壓縮性高、具有明顯的觸變性。如果在設計和施工過程中對軟土路基采取有效處理措施，可能導緻公路産生較大的工後沉降，緻使路面出現裂縫或邊坡坍塌，影響行車舒适度和安全性，情況嚴重的會導緻較大的人員傷亡和經濟損失[1]。鑒于此，國内外學者針對軟土路基沉降和處治開展了大量研究，并取得了許多先進成果。但工程技術人員在選擇軟土處理措施時，大多是憑借工程經驗或套用其他項目圖紙，使得處治方案不合理或不經濟，造成一定程度的資源浪費。是以，進一步研究軟土路基的沉降計算方法和處理對策十分必要。
1 公路軟土路基應力分析及沉降計算
1.1 軟土路基應力計算
軟土路基沉降由路基自身壓縮沉降和地基土的沉降兩部分組成，沉降大小取決于路基自重應力和地基附加應力[2]。
1.1.1 路基自重應力
車輛荷載複雜，處于動态變化中，由《公路瀝青路面設計規範》（JTG D50—2017）可知，路面設計荷載為單軸-雙輪組合荷載（标準軸載100 k N，輪壓0.7 MPa）。在計算路基自重應力時，可将傳遞至路基頂面的車輛荷載按靜力等效。路基自重應力的計算公式如下：
路基自重應力=車輛荷載+路面荷載+路基填土荷載
其中：
路面荷載=瀝青混合料重度×路面厚度
路基填土荷載=路基填土重度×路基厚度
路基填土荷載是随着填土高度的增加而增加，但由于上路床、下路床、上路堤、下路堤的壓實度控制标準不同，各層填土重度也不同。在計算填土引起的路基自重應力時，應分層計算。
1.1.2 地基附加應力
路基填土在地基中引起的附加應力是随着地基深度呈曲線衰減的，路基設計或施工相關規範并未給出明确的計算方法。在工程中，可參考《公路橋涵地基與基礎設計規範》（JTG 3363—2019）計算地基附加應力，即将路基視作條形基礎，根據計算點深度與基礎寬度的比值查附加應力系數，基底壓力與附加應力系數的乘積就是該點地基的附加應力。
1.2 軟土路基沉降計算方法
1.2.1 分層總和法
軟土地基總沉降=瞬時沉降Sd+主固結沉降Sc+次固結沉降Ss。根據《公路路基設計規範》（JTG D30—2015）（下簡稱《規範》），軟土地基主固結沉降可采用“分層總和法”主要沉降，計算見公式（1)[3]:
式式中中，，nn————地地基基土土分分層層數數；；hhii————第第ii層層土土厚厚度度（（mm));;ee0i————第第ii層層土土中中點點自自重重應應力力對對應應的的孔孔隙隙比比；；ΔΔee1i————第第i層土中點自重應力+附加應力所對應的孔隙比。
瞬時沉降和次固結沉降機理複雜、計算理論不成熟、計算難度大，實際工程中不考慮，一般是用主固結沉降Sc與沉降系數ms的乘積表示軟土地基總沉降。沉降系數ms的計算可參考公式（2):
式中，γ——填料重度（k N/m3);H——路堤中心高度（m);θ——地基處理類型系數；V——加載速率修正系數；Y——地質因素修正系數。
1.2.2 有限元法
相對于“分層總和法”，有限元法是将軟土地基和路堤視為一個整體進行計算，具有成本低、計算效率高、可重複性好等優勢，能在有限時間内計算多個工況下的路基沉降，得到地基和路堤内任意點的變形和應力。同時，有限元法還能考慮軟土路基的應力曆史、複雜邊界條件、施工逐級加載、降雨滲流等因素對路基沉降的影響。
2 公路軟土路基處理措施分析
2.1 軟土路基處理目标
公路軟土路基處理的目标是控制路基工後沉降，以免沉降過大造成路基邊坡失穩、滑塌和路面開裂，影響行車安全性和舒适度。公路軟土路基容許工後沉降控制與公路等級及路基位置有關，具體見表1[4]:
表1 軟土路基容許工後沉降 下載下傳原圖
/cm
2.2 軟土路基處理
公路軟土地基加強方案選擇應遵循“先簡後繁、就地取材”的原則，綜合考慮軟土厚度和性質、路堤高度、容許工後沉降、施工環境、施工工期等因素，并進行技術和經濟必選。對于軟土性質差、地基條件複雜、工期緊、填料缺乏等軟土地基，宜采用綜合處理措施。
2.2.1 換填法
換填法是将需換填的部分軟土挖除，回填強度高、承載力大、堅硬的材料（如中砂、粗砂、灰土、碎石等），并利用大型機械夯實或壓實，以提高壓地基承載力。換填法施工友善，經濟性好，但主要針對淺層軟土地基處理，處理深度<3 m。
2.2.2 排水固結法
軟土路基的排水固結系統由排水系統和加壓系統兩部分組成，其中排水系統有袋裝砂井、塑膠排水闆等豎向排水體，加壓系統有堆載預壓、真空預壓等。豎向排水體宜按等邊三角形布置，其長度由軟土路基沉降計算結果确定。如果軟土層較薄，豎向排水體宜穿過軟土層，深入下部較堅硬土層至少50 cm。同時，預壓期内地基沉降量應大于路面設計使用年限末的沉降量與容許工後沉降之差，且預壓期不宜小于6個月。
2.2.3 強夯法
強夯法是将夯錘提升到設定高度後自由下落，将其重力勢能轉化為動力夯擊能，夯實軟土地基。為了確定夯實效果，強夯前需在軟土地基頂鋪設一層30～50 cm的碎石或砂礫墊層。
強夯法的有效加強深度d可根據試夯或公式（3）預估：
式中，α——修正系數，取值範圍為0.34～0.80;m——夯錘品質（t);h——夯錘落距（m）。
強夯法設計關鍵是确定夯擊次數和夯擊能，以免周圍土體隆起或夯坑過深。當單擊夯擊能<2 000 k N·m，最後兩擊的平均夯沉量要求分别為≤50 mm；當單擊夯擊能在2 000～4 000 k N·m，最後兩擊的平均夯沉量要求分别為≤100 mm；當單擊夯擊能>4 000 k N·m範圍内，最後兩擊的平均夯沉量要求分别為≤200 mm。
2.2.4 樁土複合地基法
在深厚軟土地區，經常會采用水泥攪拌樁、CFG樁、預制管樁等與軟土組成複合地基，共同承擔外界荷載。其中，水泥攪拌樁是把水泥材料、外摻劑等以粉噴或漿噴的方式加入周圍地基土，粉噴樁加強深度≤12 m，漿噴樁加強深度≤20 m，具有施工速度快、工期短、價格便宜等優勢；CFG樁由碎石、粉煤灰、水泥等材料按一定的比例混合而成，并在樁頂應鋪一層碎石、砂礫作褥墊層（厚度30～50 cm）；預制管樁包括PC、PHC和PTC，具有單樁承載力高、加強深度深、施工效率高、施工現場無污染等優勢。
複合地基的加強機理主要展現在以下三個方面[5]：第一，擠密效應。樁體施工期間會将樁周土部分或全部的擠壓到樁側，使樁間土體更加密實；第二，樁體效應。複合地基中樁體強度高，承擔的荷載遠大于樁間土，并能将荷載傳遞至地基深處；第三，協作效應。樁體與樁周土協調變形，即樁體限制土體，使土體在較高應力下不出現剪切破壞；土體限制樁體，保持樁體形狀。
3 公路軟土路基沉降計算與處理案例分析
3.1 工程概況
以貴州某公路軟土路基為研究對象，利用有限元軟體Plaxis對其沉降計算方法進行探讨。該公路設計速度為100 km/h，設計荷載為公路-I級，主線為雙向4車道。路基沉降計算橫斷面樁号為K10+800（橋台與路基相鄰處），路基寬度為25 m（土路肩0.75 m+硬路肩2.5 m+行車道2×3.75 m+中間帶3.5 m+行車道2×3.75 m+硬路肩2.5 m+土路肩0.75 m），填土高度6 m，邊坡坡率1∶1.5。項目所處區域屬暖溫帶季風大陸性氣候，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨，年溫差大，年降水量大，多年平均降雨量約986 mm，降雨主要集中在6—9月。
根據地質勘察資料，路基填料為級配良好的砂礫土。地基土從上到下分别為粉土、淤泥質粉質黏土和粉質黏土。不同岩土體的實體力學計算參數見表2:
表2 各層土的計算參數 下載下傳原圖
3.2 軟土處理方案
K10+800斷面處淤泥質粉質黏土埋深較大，約6.5～8.8 m，不宜使用換填法或強夯法，且施工期緊張，無法保證足夠的預壓時間，故排水固結法也不适用。經技術方案和經濟必選，拟采用水泥攪拌樁複合地基處理軟土。水泥攪拌樁樁徑0.5 m，樁長10 m，樁間距1.5 m，梅花形布樁，以普通矽酸鹽42.5級水泥為固化劑，利用攪拌樁機械将水泥噴入軟土并充分攪拌均勻，以改善軟土地基強度，減小沉降[6]。
3.3 有限元模型建立
3.3.1 屈服準則
土體是由土顆粒、氣體和液體組成的三相物質，抗壓不抗拉，故選擇Plaxis軟體中内置的Drucker-Prager準則來計算地基及路基的沉降。Drucker—Prager屈服準則的表達式見（4)[7]:
式中，α、K、J——均為材料常數；F——材料抗壓強度；I——主應力之和。
3.3.2 邊界條件及網格劃分
軟土路基的左、右兩側邊界為不排水邊界，水準限制。下邊界為不排水邊界，完全限制，任何方向均無變形。路基頂面和邊坡坡面為排水邊界，在X、Y、Z三個方向均可自由變形。在綜合考慮計算精确度和計算效率的條件下，采用四面體單元對軟土路基模型進行網格劃分，網格尺寸取2.5 m，共劃分出958個單元，1 022個節點，如圖1所示：
圖1 軟土路基計算模型 下載下傳原圖
3.3.3 荷載模拟
為了準确模拟軟土路基的施工過程（填築速率為60 mm/d），必須合理選擇時間步長。當軟體中設定的時間步長<最小臨界值，容易出現應力振蕩。
3.4 軟土路基處理前後沉降變形規律
根據路基“沉降對稱性理論”，分析K10+800斷面的軟土路基沉降變形規律時隻取半幅路基，即以道路中心線為基準，向外每隔2 m設定1個沉降監測點，各個監測點的工後沉降計算結果見圖2。
由圖2可知：在路基中心點處，軟土路基工後沉降最大，且距離中心點越遠，路基沉降越小。軟土路基未經處理時，最大工後沉降為16.1 cm，沉降值過大，不滿足《規範》。軟土路基經水泥攪拌樁處理後，各監測點的工後沉降有明顯下降，最大沉降僅為7.5 cm，降低幅度達53.4%。這表明，水泥攪拌樁複合地基設計方案合理可行，處治軟土路基效果良好。
圖2 不同監測點軟土路基沉降 下載下傳原圖
4 結論
該文研究了軟土路基的應力和沉降計算方法以及常用處理措施，并依托某公路項目，利用有限元軟體Plaxis軟體計算了軟土路基處理前後的沉降變化規律，主要得出以下結論：
(1）軟土路基沉降大小取決于路基自重應力和地基附加應力，可用分層總和法或有限元法計算。
(2）軟土地基常用加強措施有換填法、排水固結法、強夯法、複合地基法等，應結合軟土厚度、路堤高度、施工環境、施工工期等因素選擇。
(3）軟土路基在中線位置工後沉降最大，且離中心點越遠，沉降越小。
(4）水泥攪拌樁能夠顯著降低軟土路基工程沉降，降低幅度可達53.4%。
參考文獻
[1] 李勁.公路施工中軟土路基的施工技術處理方法[J].黑龍江交通科技, 2022(6):36-38.
[2] 吳江濤,牛建峰.大葉公路橋台後軟土路基處理方法研究[J].城市道橋與防洪, 2022(4):59-61+67+13.
[3] 唐予.公路軟土路基沉降規律及施工控制[J].廣東公路交通, 2021(5):22-25+32.
[4] 施斌林,張浩.某互通立交軟基病害分析及處理方案研究[J].現代交通與冶金材料, 2021(5):12-18.
[5] 張潭,劉展瑞,蔡宇鵬,等.片石處治幹線公路軟土路基沉降規律及預測分析[J].公路與汽運, 2021(3):90-93+97.
[6] 付登博,謝繼登,王中恩,等.洞庭湖區軟土水泥攪拌樁複合地基沉降控制效果數值分析[J].路基工程,2021(4):104-109.
[7] 沈俊.公路軟土地基進行中碎石樁複合地基的應用[J].建築技術開發, 2022(22):169-171.
聲明：我們尊重原創，也注重分享。有部分内容來自網際網路，版權歸原作者所有，僅供學習參考之用，禁止用于商業用途，如無意中侵犯了哪個媒體、公司、企業或個人等的知識産權，請聯系删除（郵箱：[email protected]），另本頭條号推送内容僅代表作者觀點，與頭條号營運方無關，内容真僞請讀者自行鑒别，本頭條号不承擔任何責任。