淺層軟弱土地基片石夯壓加固法的有限元分析

蘇春暉

(西南交通大學(xué),四川成都610031)

昆明昆洛路改擴(kuò)建工程某段為以耕植土為主的淺層軟弱土路基。地表耕植土厚度0.5～1.5m,其下約5m為沖洪積、殘積粉質(zhì)黏土、黏土層。耕植土等軟弱土多為軟塑-可塑狀,雨季浸泡后則呈軟塑-流塑狀態(tài),孔隙比、壓縮性大,承載力低(80～110 kPa),屬于典型的軟弱土,不能滿足路基設(shè)計(jì)要求。在道路、交通及土木工程中,通常采用換填法處理耕植土等淺層軟弱土。昆洛路改擴(kuò)建工程中淺層軟弱土面積達(dá)80×104m2。同時(shí),工程時(shí)間短、工程量大、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大。軟基淺層處理采用常規(guī)的換填法難以達(dá)到工期和環(huán)保要求。根據(jù)昆洛路軟弱土分布特點(diǎn),提出用片石夯壓加固法處理,既經(jīng)濟(jì)節(jié)約又取得了理想的處理效果。

片石夯壓加固法是在不清除表層耕植土條件下,用沖擊壓路機(jī)夯壓片石層,在置換、擠密、壓實(shí)作用下,片石強(qiáng)行擠入軟土,在夯壓影響深度范圍內(nèi),軟土強(qiáng)度增強(qiáng),抗變形能力提高,形成復(fù)合地基,構(gòu)成滿足要求的承載層。

1 片石夯壓加固法

昆洛路改擴(kuò)建工程淺層軟弱土片石夯壓加固法的工藝流程為:清除地表植被※鋪設(shè)片石層※建立測(cè)量標(biāo)記和夯壓定位標(biāo)記※沖擊壓路機(jī)夯壓※按設(shè)計(jì)夯壓遍數(shù)和控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行中間測(cè)量和終止夯壓測(cè)量※終止夯壓※夯壓面修整。片石材料采用取材便利、質(zhì)堅(jiān)、不易風(fēng)化、水穩(wěn)性好的石灰?guī)r石材。片石抗壓強(qiáng)度≥30MPa,粒徑30～40 cm,以人工手?jǐn)[工藝施工,鋪設(shè)厚度40～70 cm。沖擊壓路機(jī)沖擊滾動(dòng)夯壓片石的過(guò)程如圖1所示。

圖1 片石夯壓加固法示意

沖擊壓路機(jī)是兼具夯擊和碾壓兩種壓實(shí)功能的新型壓路機(jī)[1～3]。工作狀態(tài)的沖擊壓路機(jī)的沖擊能量主要由夯擊能、平動(dòng)能量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性能量三部分組成。其中由沖擊輪內(nèi)外接圓半徑差產(chǎn)生的夯擊能是沖擊壓路機(jī)與常規(guī)靜態(tài)壓路機(jī)的根本區(qū)別所在。夯擊產(chǎn)生的壓力波向下傳播,能夠獲得比靜壓更大的影響深度。夯擊能E1和沖擊能量E的計(jì)算公式為(參見(jiàn)圖1):

式中:M為沖擊輪質(zhì)量,t;R為沖擊輪外接圓半徑,m;r為沖擊輪內(nèi)接圓半徑,m;V為沖擊輪水平速度,m·s-1;J為沖擊輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,t·m2;ω為沖擊輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad·s-1。

沖擊壓路機(jī)的夯擊影響深度可參考強(qiáng)夯影響深度計(jì)算公式,即修正的Menard公式獲得:

式中:α為修正系數(shù),一般濕陷性黃土取0.34～0.5,高填方土取0.6～0.8,砂性土和雜土取0.45～0.6。

昆洛路施工使用3HCT28型沖擊壓路機(jī)(又稱“高能量滾動(dòng)夯實(shí)機(jī)”),沖擊能量28 kJ,三邊形輪質(zhì)量14.8 t,沖擊壓力600～2 500 kN,沖擊頻率2～2.5次·s-1,行走速度10～15 km·h-1。計(jì)算可得影響深度約為2～3m。

在實(shí)際應(yīng)用中,沖擊壓路機(jī)的沖擊力和壓實(shí)深度除與沖擊輪接地時(shí)的速度、加速度和接觸時(shí)間有關(guān)外,還與被壓實(shí)體的彈塑性參數(shù)密切相關(guān)。被壓實(shí)體越堅(jiān)硬,沖擊力越大,影響深度也會(huì)越深。昆洛路施工中采用片石夯壓加固法在軟弱的耕植土上鋪設(shè)片石層也起到了增大沖擊力和影響深度的效果。

2 片石夯壓加固法處理效果

通過(guò)采用鉆探、動(dòng)力觸探測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、鉆孔取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)對(duì)比勘察資料分析比較,得出:原地面下0～3m土體的物理力學(xué)性能變化顯著,孔隙比、壓縮系數(shù)、含水量、液性指數(shù)明顯變小,壓縮模量、承載力提高。處理效果如圖2所示[4]。

圖2 夯壓前后地基土的物理力學(xué)指標(biāo)

3 片石夯壓加固法的靜態(tài)有限元模擬與分析

筆者用巖土工程/地下工程有限元程序PLAXIS 8.2版對(duì)耕植土直接壓實(shí)和鋪設(shè)片石壓實(shí)加固兩種壓實(shí)方法進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比。PLAXIS程序由荷蘭Delft等大學(xué)于1987年推出。其后經(jīng)過(guò)歐美多所高校和研究機(jī)構(gòu)的共同研究、開(kāi)發(fā)和改進(jìn),已成為在歐美地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用并享有盛譽(yù)的針對(duì)巖土工程應(yīng)用的有限元計(jì)算程序。

計(jì)算采用2維模型(圖3),模擬壓路機(jī)輪壓下與滾動(dòng)軸線方向垂直平面的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)狀態(tài)。土體采用MC本構(gòu)模型。

圖3 片石加固法處理的PLAXIS模型(局部)

在向下壓實(shí)壓坑深度30 cm的情況下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 壓實(shí)作用下土體網(wǎng)格變形圖

計(jì)算表明,如果采用地表無(wú)片石鋪設(shè)直接壓實(shí)的方法,在壓坑30 cm的狀態(tài)下壓坑兩側(cè)地面顯著隆起,土體變形主要集中在壓坑周圍的地表附近深度0.5m范圍之內(nèi)。在地表隆起的影響下,壓坑下約2m深度內(nèi)有小規(guī)模塑性區(qū)出現(xiàn)。加大壓坑深度的計(jì)算表明,進(jìn)一步增加壓實(shí)力的情況下,地表隆起更加嚴(yán)重,土體變形范圍仍集中在壓坑周圍的地表附近深度0.5m范圍之內(nèi)。實(shí)踐也表明,在軟弱土場(chǎng)地使用大型壓路機(jī)或者其他壓力較大的機(jī)械是不可行的,不僅會(huì)造成機(jī)械輪陷而行走困難,壓坑周圍地表的隆起也會(huì)使表層土體變得更為疏松,反而難以起到壓實(shí)效果。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,壓坑30 cm狀態(tài)約對(duì)應(yīng)于輪重1 t·m-1。

圖5 壓實(shí)作用下土體總位移云圖

圖6 壓實(shí)作用下土體塑性點(diǎn)分布圖

地表鋪設(shè)片石壓坑深度30 cm狀態(tài)下(對(duì)應(yīng)輪重約為10 t·m-1),由于地表片石層“硬殼”的存在,在壓路機(jī)作用下地表隆起情況得到顯著改善。從網(wǎng)格圖可以看出,在壓路機(jī)作用下片石嵌入擠密其下層耕植土軟弱層。更為重要的是,這層硬殼的嵌入擠密使得大功率壓路機(jī)在這種場(chǎng)地上的行走成為可能。從土體位移云圖和塑性區(qū)分布圖可以看到,壓實(shí)影響區(qū)范圍和深度明顯擴(kuò)大,深度達(dá)到約4m。

結(jié)合前面夯擊作用下壓力波影響深度的分析,可以認(rèn)為,采用沖擊壓路機(jī)施工的片石加固法對(duì)于淺層軟弱土路基是比較適用的。表面鋪設(shè)片石的淺層軟弱土在沖擊壓路機(jī)夯壓過(guò)程中能夠得到壓力波和靜壓兩種對(duì)淺層土的擠密壓實(shí)效果。選用沖擊能量不小于25 kJ的沖擊壓路機(jī),鋪設(shè)片石,影響深度約3～4m。

昆洛路改擴(kuò)建工程淺層軟弱土地基片石加固法處理后,進(jìn)行了鉆探檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果表明,片石層與其下部軟土相互嵌固形成土石復(fù)合層,改善了軟土特性,提高了地基承載力和土體抗變形能力。原地面下0～3m土體的物理力學(xué)性能變化顯著,孔隙比、壓縮系數(shù)、含水量、液性指數(shù)明顯變小,壓縮模量、承載力提高。夯壓擠密有效深度4～5m。承載板試驗(yàn)[4]顯示片石加固法處理后地基彎沉、回彈模量滿足設(shè)計(jì)要求。

4 路堤地基片石夯壓加固法處理效果的有限元分析

昆洛路改擴(kuò)建工程為城市I級(jí)主干道,規(guī)劃紅線寬80 m,機(jī)動(dòng)車雙向10車道,加非機(jī)動(dòng)車道和人行道。設(shè)計(jì)荷載為城—A級(jí),設(shè)計(jì)車速60 km·h-1。筆者模擬了片石加固處理后公路運(yùn)營(yíng)中,在行車荷載下的路堤工作狀態(tài)(圖7)。路堤填土高度1.5m。

PLAXIS有限元計(jì)算結(jié)果顯示,快車道行車荷載下路基最大位移約為27mm,慢車道行車荷載下最大位移約為20 mm,荷載下沉降滿足設(shè)計(jì)要求[5～8]。

圖7 運(yùn)營(yíng)工況下路堤總位移云圖

5 結(jié) 論

(1)地基表面鋪設(shè)片石層,采用沖擊壓路機(jī)夯壓的“片石加固法”是處理淺層軟弱土地基的經(jīng)濟(jì)有效的一種方法。表面鋪設(shè)片石的淺層軟弱土在沖擊壓路機(jī)夯壓過(guò)程中能夠得到壓力波和靜壓兩種對(duì)淺層土的擠密壓實(shí)效果。片石加固法處理后,片石層與其下部軟土相互嵌固形成土石復(fù)合層,改善了軟土特性,提高了地基承載力和土體抗變形能力。

(2)沖擊壓路機(jī)的影響深度與其沖擊能量和地基土性質(zhì)有關(guān)。本工程中模擬的表層0.5～1m耕植土情況下,采用片石加固法,原地面下0～3m土體的物理力學(xué)性能變化顯著,孔隙比、壓縮系數(shù)、含水量、液性指數(shù)明顯變小,壓縮模量、承載力提高。選用沖擊能量不小于25 kJ的沖擊壓路機(jī),鋪設(shè)片石,影響深度約3～4m。

(3)在采用片石加固后的地基上填筑1.5m高的路堤,運(yùn)營(yíng)工況行車荷載下沉降滿足要求。

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