高速公路軟土路基的處理方法分析

劉武　王文強(qiáng)

摘要：隨著我國綜合國力的快速提升，國家加大了對(duì)公路基礎(chǔ)建設(shè)和擴(kuò)建加寬工程的實(shí)施。針對(duì)高速公路軟路基經(jīng)常出現(xiàn)問題，施工部門進(jìn)行了多種形式的研究和試驗(yàn)。文章從軟土路基的修建過程進(jìn)行探討，對(duì)其計(jì)算方法和處理方式展開具體分析。

關(guān)鍵詞：高速公路；軟土路基；處理方法；分析

軟土從結(jié)構(gòu)上是淤泥和偏向淤泥土質(zhì)的總稱，具備天然含水量和壓縮性高的特點(diǎn)，在未加工時(shí)對(duì)交通車輛承載的能力較低。軟土土壤內(nèi)含有的淤泥和腐殖生物都較多，因此比較正常的高速公路路基該土壤狀況出現(xiàn)的路基的沉降問題較多，一旦處理不當(dāng)路基可能出現(xiàn)過量沉降和穩(wěn)定性不足，影響公路的質(zhì)量和竣工后公路的運(yùn)營狀況。我國的土壤形態(tài)多變，因此處理軟土造成的公路修建問題是自古以來的難題。由于土質(zhì)的參數(shù)較為復(fù)雜，很多針對(duì)傳統(tǒng)土壤的計(jì)算模式和模型處理都有其自身的局限性，產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)誤差。

1.影響路基處理方法的軟土工程特性

軟土根據(jù)成分不同也有很多不同的分類，在含水量是在百分之三十到百分之百不等，因此在形態(tài)上很多軟土都出現(xiàn)流體的狀況。軟土的孔隙在一到二之間，導(dǎo)致了土壤的壓縮性比其他土質(zhì)大大增強(qiáng)。雖然軟土的孔隙較大，但是在垂直水平的滲透系數(shù)卻比普通土壤小很多。軟土中的成分通常很復(fù)雜，包括粉土、腐殖生物、細(xì)沙等成分都會(huì)影響軟土的滲透性和固結(jié)程度，即使在實(shí)驗(yàn)中用壓力載荷的方式做出促進(jìn)還是不能提升軟土的固結(jié)效果。軟土的壓縮性質(zhì)與其中含有的天然水的含量是成正比的，還與土壤的形成過程有關(guān)系。壓縮能力太高會(huì)直接影響路基的沉降速度，形成建成公路的變形和不穩(wěn)定。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，進(jìn)行軟土的不排水實(shí)驗(yàn)時(shí)，軟土的抗剪程度很小，而在排水的情況下，抗剪能力也隨之增大。根據(jù)荷載能力推斷，當(dāng)荷載能力降低軟土的排水能力時(shí)，就會(huì)減小土壤的抗剪能力，對(duì)土壤的強(qiáng)度也造成影響。軟土的觸變性也是影響路基打樁過程不穩(wěn)定的原因，如果是一次性打樁會(huì)比較容易完成，但是分階段打樁的話很容易讓土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生膠體系統(tǒng)的變化，形成新的結(jié)構(gòu)模式影響接下來的打樁過程。軟土由于不同位置的流動(dòng)性也影響了土質(zhì)的不均衡性，不僅影響土體系數(shù)的測量，還無法控制施工過程中的材質(zhì)沉降。

2.高速公路軟土路基的沉降計(jì)算分析

2.1分層合力公式法

公式法是從經(jīng)典土力學(xué)的基礎(chǔ)上加以引申的，是基于假設(shè)軟土為直線變形體，只能在一定程度的氛圍內(nèi)發(fā)生變化，并將壓縮后的土壤進(jìn)行分層，求出每一層應(yīng)力的數(shù)值推斷變形量最后得出沉降量的過程。分層方法的主要假設(shè)過程在計(jì)算土壤中的產(chǎn)生應(yīng)力的路基是均勻材質(zhì)，且同性質(zhì)各向的半無限體；其次軟土在進(jìn)行壓縮時(shí)沒有除垂直方向以外的膨脹形式，計(jì)算時(shí)從側(cè)面獲取路基被壓縮后的技術(shù)指標(biāo)；最后應(yīng)當(dāng)從土壤打地基的中心點(diǎn)附近來計(jì)算工程可能產(chǎn)生的變形量。從一維的角度對(duì)軟土固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算，是對(duì)土壤進(jìn)行不發(fā)生側(cè)向變形的假設(shè)才能完成的，因此經(jīng)過分層法計(jì)算出來的與實(shí)際多種方向發(fā)生形變的實(shí)際值還有很大不同。由于分層法得出的結(jié)論僅適應(yīng)軟土土質(zhì)較好的情況，而對(duì)于需要進(jìn)行二維分析的平面數(shù)據(jù)則會(huì)產(chǎn)生很大計(jì)算結(jié)果出入。分層法沒有從軟土的流體性進(jìn)行分析，也沒有能力計(jì)算出有流動(dòng)性產(chǎn)生的隨機(jī)沉降量，因此得出的數(shù)據(jù)會(huì)較真實(shí)結(jié)果有一定偏差。

2.2有限元分析法

有限元的方式是將整個(gè)路基部分當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，從而形成離散式的建筑工程體系，完成荷載作用之下的任何階段路基的應(yīng)力和位移。路基垂直位移是形成路基沉降的主要原因，因此這種方式需要對(duì)土壤的線性彈性和粘塑彈性進(jìn)行分析，從可以測得的數(shù)據(jù)中獲取變形對(duì)沉降量產(chǎn)生的具體影響。在現(xiàn)代工程中使用較多的彈性模型是鄧肯長雙曲線模型，由于有限元的方式可以得出側(cè)面應(yīng)力產(chǎn)生的沉降量，因此該模型可以從二維乃至三維的角度對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。該模型可以添加的變量多種多樣，不僅有軟土發(fā)雜多變的邊界條件、土體荷載產(chǎn)生的應(yīng)力和非線性特征、土壤環(huán)境歷史原因以及水和骨架互相作用產(chǎn)生的禍合效應(yīng)等等。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將土壤逐層酌量的疊加，看出沉降、位移、應(yīng)力之間的變化和關(guān)系，得出計(jì)算需要的結(jié)論和規(guī)律。

3.高速公路軟土路基的處理方法分析

3.1墊層換填法

在路基工程區(qū)域軟土層并不是很厚的情況下，可以將軟土屬性的部分挖去，并填充以強(qiáng)度較大的土壤進(jìn)行替換。這種方式最經(jīng)濟(jì)的厚度是在兩米到三米之間，若是軟土厚度太大在進(jìn)行替換就會(huì)形成較大的工程成本，影響工程運(yùn)營效率。換填法的原理是將高強(qiáng)度的土壤替換原本路基區(qū)域的軟土，形成增加路基荷載力的目的，加固的方式有拋石擠淤、換填墊層、強(qiáng)夯擠淤等，墊層的材質(zhì)也有很多中，包括砂礫、碎石、干渣、煤灰等等，其中較為常用的有砂礫墊層方式和拋石擠淤方式兩種。砂礫墊層是將路基的基地和填土部分進(jìn)行排水面的設(shè)置，讓路基在的填土層進(jìn)行荷載的同時(shí)從排水孔中排出，提高土壤的固結(jié)速率的同時(shí)加強(qiáng)路基的使用承載力，降低可能出現(xiàn)的沉降量，實(shí)現(xiàn)路基穩(wěn)定性和防止局部變形。該方式比較適用于軟土層不厚和雨季需要排水環(huán)境的施工過程。拋石擠淤的方式則是通過在路基中心到邊緣的拋石，擠出軟土中原本的淤泥達(dá)到加強(qiáng)路基固結(jié)的方式，這種方式針對(duì)軟土位置不好掌握和厚度較大的工程有很好的效果。

3.2深層加固法

使用夯實(shí)、爆破等擠壓土壤的方式可以達(dá)到加深土壤密度和抗剪強(qiáng)度的效果，而這種對(duì)軟土密度加強(qiáng)和加固的方式稱為深層加固法。該方式適用于土壤情況有大于三米軟土的路基加固工程，根據(jù)具體施工環(huán)境，可以加固的拓展空間可以達(dá)到三十米左右。深層加固法分為強(qiáng)夯法、土樁法、爆破法、碎石樁法等等，其中具有代表性質(zhì)的有強(qiáng)夯法。強(qiáng)夯法是讓軟土在強(qiáng)烈的沖擊下受到壓力和沖擊波的影響，形成區(qū)域內(nèi)的土體壓縮現(xiàn)象，沖擊點(diǎn)范圍一定深度要形成良好的排水區(qū)，讓壓力排除的水順利排除，讓土體在壓力的情況下迅速固結(jié)。一般軟土工程經(jīng)過強(qiáng)夯法的處理之后可提高自身承載力的四倍，壓縮性也可以降低百分之二百到一千左右。該方式的處理?xiàng)l件和使用工程范圍較廣，但是需要的夯實(shí)設(shè)備強(qiáng)度較高，對(duì)周圍的環(huán)境影響也很大，同時(shí)在處理軟土中黏土過高的情況效果并不明顯。

3.3排水加固法

軟土路基建設(shè)的過程中提高土壤的負(fù)荷量加快內(nèi)部排水，從而提高土體排水的效率加快固結(jié)的方式稱為排水加固法，該方式適用于軟土淤泥較多、黏土較多以及飽和充填的土壤形式，原理是在施加壓力的同時(shí)加快地基沉降速度，提前完成路基的沉降量和排水效應(yīng)。目前存在的排水加固法有預(yù)壓處理法、真空預(yù)壓法、塑料排水法等。其中預(yù)壓處理法是采取不同荷載的方式進(jìn)行土壤的超載預(yù)壓、欠載預(yù)壓和等載預(yù)壓等等，效果顯著和工藝簡單的特性讓預(yù)壓處理的方式得到廣泛應(yīng)用，但是工期較長和搬運(yùn)復(fù)雜等方式是其通常和排水加固方式一同使用。袋裝砂井法和塑料排水板法的原理相同，也有較為成熟的工藝和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以有效增加軟土路基在垂直方向的排水能力，降低橫向排水距離，結(jié)合加載預(yù)壓方式效果更好。適應(yīng)的土壤情況也較為廣泛，沙袋和塑料排水板是經(jīng)過量產(chǎn)的，不論是在質(zhì)量上還是運(yùn)輸商都很穩(wěn)定的便捷。塑料排水板比沙袋還具有質(zhì)量輕和吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)，從勞動(dòng)力和延伸率的和角度使用的費(fèi)用也較低，但是從土體抗剪的能力上沒有袋裝砂井法實(shí)施的效果好。

4.結(jié)語

綜上所述，提高路基的預(yù)測沉降運(yùn)算方式，從實(shí)際情況的角度下對(duì)軟土的參數(shù)進(jìn)行測評(píng)，是我國目前修建高速公路軟土路基的正確處理方案改進(jìn)方向。