加載速率及加固措施對寒區(qū)濕地軟土地基沉降的影響 1)
——以國道G111富?！G河段A1標(biāo)段為例

李洪峰 麻健鵬

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

濕地軟土具有含水量大、透水性差、強(qiáng)度低、壓縮性高等工程特性[1-2]，在濕地軟土上修建高速公路等構(gòu)造物時，如何準(zhǔn)確預(yù)測沉降及減小沉降量，目前業(yè)內(nèi)沒有形成共識。雖然開展了許多軟土方面的研究[3-8]，但對濕地軟土工程特性的研究較少[9-12]。目前軟土地區(qū)的公路工程建設(shè)中，單純依靠或借鑒其他地區(qū)軟土的工程性質(zhì)，分析預(yù)測某地區(qū)的沉降，類似的做法較為普遍；這樣的做法，理論依據(jù)不足、工程質(zhì)量難以保障。

本文從濕地軟土的工程特性入手，對國道G111富?！G河段A1標(biāo)段的土體及沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，使用Plaxis有限元分析軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算擬合軟土地基沉降規(guī)律；選擇常用的換填法、擠密碎石樁法、土工格柵配合塑料排水板法3種地基處理方式[13]，并分別配合3種不同的分層填筑高度進(jìn)行模擬(①2.0、1.0、0.5、0.5 m/d；②1.6、2.0、0.2、0.2 m/d；③1.8、1.2、0.6、0.4 m/d)，共9種方案，對9種濕地軟土處理效果進(jìn)行了對比分析，探索該地質(zhì)情況下處理軟土地基的最佳方法及沉降預(yù)測方法。旨在為寒區(qū)濕地軟土公路施工提供參考。

1 試驗地概況

試驗地為國道G111富裕—訥河段A1標(biāo)段。位于黑龍江省嫩江、烏裕爾河、訥莫爾河沖積平原，東經(jīng)122°～126°、北緯45°～48°。該地區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4 ℃，溫差變化較大；地下水類型為孔隙水，略具承壓性；含水層為細(xì)砂、礫石、圓礫，透水性強(qiáng)，平均滲透系數(shù)180 m/d。試驗地巖土層類型見表1、寒區(qū)濕地2層原狀土物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)觀測

選擇試驗地1個斷面進(jìn)行現(xiàn)場觀測，埋設(shè)了分層沉降管、測斜管、孔隙水壓力測頭(見圖1)。

試驗路段設(shè)計采用袋裝砂井配合土工格柵處理軟土地基，袋裝砂井直徑10 cm，等邊三角形布置，間距為1.0 m，處理的軟土厚度6 m以內(nèi)。排水墊層采用透水性較好的天然砂礫，設(shè)計排水砂墊層厚度為1.5 m，土的粒徑以粗顆粒為主，泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(含泥量)小于1%。路堤采用分級填筑的方式(見表3)。

表1 試驗段巖土層類型

表2 寒區(qū)濕地2層原狀土物理力學(xué)性質(zhì)

注：w為含水率；Gs為土粒相對密度；wp為塑限；wl為液限；Il為液性指數(shù)；e為孔隙比；ρ為密度；Sr為土體飽和度；α1-2為壓縮系數(shù)；Es1-2為壓縮模量；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

ZK1、ZK2、ZK3分別為鉆孔1、2、3位置埋設(shè)的分層沉降管；數(shù)字為高程數(shù)字(單位為m)，對應(yīng)位置為沉降環(huán)、孔隙水壓力探頭、土層分界所在高程。

填筑時間/d填筑高度/m靜置時間/d路堤高度/m11.61771.612.0573.610.2383.810.2344.0

本次試驗段施工過程中的沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率，按照每次填筑完成后觀測1次，若某2次填筑間隔時間略長，則每3 d觀測1次。路堤堆載預(yù)壓期間或冬歇期間，根據(jù)地基穩(wěn)定情況調(diào)整觀測頻率，為15 d或30 d觀測1次?？紫端畨毫?，按照每層填筑完成后，每隔1 h觀測1次，并持續(xù)2～3 d[14]。按照上述觀測方法，對試驗路段1號(ZK1)、2號(ZK2)分層沉降管的沉降進(jìn)行觀測記錄(見表4、表5)。

由表4、表5可見：位于中央分隔帶處的ZK2沉降管的沉降量，大于路肩處ZK1沉降管的沉降量；中央分隔帶處軟土地基在填筑的過程中的沉降速率，比路肩處軟土地基的沉降速率快；原因是中央分隔帶處有砂性土的透鏡體，加速了軟土地基的排水固結(jié)。但由于路肩處軟土層比中央分隔帶出的軟土層厚，所以中央分隔帶處軟土地基的沉降量比路肩處沉降量小。

表4 ZK1分層沉降管沉降量的觀測數(shù)據(jù)

注：沉降環(huán)編號自上而下為1～6。

表5 ZK2分層沉降管沉降量的觀測數(shù)據(jù)

注：沉降環(huán)編號自上而下為1～6。

2.2 Plaxis有限元模型

2.2.1 數(shù)值模型

根據(jù)試驗路段的實際情況，路堤分層填筑過程劃分為4個階段，第一階段填土高度1.6 m、第二階段填土高度為2.0 m、第三階段填土高度為0.2 m、第四階段填土高度為0.2 m。路堤填土橫斷面的幾何尺寸：填土封頂層寬24 m、底面寬36 m、邊坡坡度1.0∶1.5、間距100 cm，砂井直徑7 cm，塑料排水板寬10.0 cm、厚0.4 mm。整個路堤填土高度4 m。采用高精度的15節(jié)點三角形單元劃分網(wǎng)格。邊界采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，在模型底部施加完全固定約束，水平和豎直向位移為零；在兩側(cè)豎直施加滑動約束，水平向位移為零，豎直向自由。為了減少邊界條件對計算結(jié)果的影響，參照文獻(xiàn)[15]，地基土橫向?qū)挾热?00 m，豎向深度根據(jù)地質(zhì)資料取20 m，計算采用軸對稱模型，選用15節(jié)點三角形單元。計算的幾何模型、邊界條件的選取、單元網(wǎng)格的劃分見圖2。

圖2 單元網(wǎng)格的劃分及邊界條件的選取

在Plaxis有限元模型中，地基土層從下往上依次為：①圓礪；②細(xì)砂夾層；③粉質(zhì)黏土；④腐植黏土。路基填土由下向上依次為：①換填砂礫；②粉質(zhì)細(xì)砂。各土層及路堤填土、墊層的本構(gòu)模型，均選擇Mohr-Coulomb模型。根據(jù)勘察資料提供的試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)中類似模型對各類土體及碎石的賦值，選取的參數(shù)值見表6、表7。

土工格柵鋪設(shè)在粉質(zhì)細(xì)砂與砂礫之間，土工格柵為鋼塑格柵，型號為GSZ40-40，每延米極限抗拉力為40 kN/m。其接觸面參數(shù)：切向剛度(K1)=7 106 kN/m3；法向剛度(kn)=108 kN/m3；剪脹角(δ)=40°；黏聚力(c)=61.51 kPa；破壞比(Rf)=0.83。

表6 土體及碎石材料參數(shù)

注：γ為土體重度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)；E為彈性模量；μ為泊松比。

表7 軟土計算參數(shù)

注：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；E為彈性模量。

2.2.2 模型驗證

根據(jù)現(xiàn)場實測的沉降量與有限元計算值進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)(見表8)，路堤中央分隔帶及路肩處的沉降量，在路堤填筑過程中的變化趨勢基本一致；靜止放置180 d左右后，土體在自重應(yīng)力下自然沉降；在完成第二階段填土后，自重應(yīng)力進(jìn)一步增大，沉降速率加快；第三階段及第四階段填土，由于填土厚度不大，沉降增速趨于平緩。

表8 分層沉降管沉降量的有限元數(shù)值模擬與實測值對比

路堤坡腳處不同深度的水平位移的實測值與有限元計算結(jié)果變化趨勢一致；軟土地基的側(cè)向位移，隨著荷載和軟土的厚度增加而增大，最大側(cè)向位移的位置是隨著荷載和軟土層的厚度的增加具有逐漸加深的趨勢。

綜上所述，該模型的材料參數(shù)與幾何模型，可以用于分析相同地質(zhì)情況下不同地基處理方式的計算中。

2.3 軟基處置方案

在本文建立的有限元模型基礎(chǔ)上，模擬路堤堆載至設(shè)計填高4 m。為了分析該地質(zhì)條件下不同地基加固方法及不同分層填筑高度對地基沉降的影響，選擇換填法、擠密碎石樁法、塑料排水板配置土工格柵法對該地質(zhì)情況的軟基進(jìn)行加固，并選擇3種不同的分層填筑高度(①2.0、1.0、0.5、0.5 m/d；②1.6、2.0、0.2、0.2 m/d；③1.8、1.2、0.6、0.4 m/d)，兩兩正交，模擬出9種方案。在模擬過程中，僅按方案改變地基加固方法及加載速率，其余條件均保持不變。

采用換填法時，按照換填墊層厚度為2.5 m、寬度18.0 m建立模型(見圖3)。采用擠密碎石樁時，按照樁長3.00 m、間距0.54 m、樁徑0.50 m建立模型(見圖4)。采用塑料排水板配合土工格柵法時，按照塑料排水板間距1 m建立模型(見圖5)。上述3種方法的材料參數(shù)均與表6相同。

圖3 換填法有限單元模型

圖4 擠密碎石樁法有限單元模型

圖5 塑料排水板法配合土工格柵有限單元模型

3 地基沉降模擬分析

表9、表10為采用以上9種方案進(jìn)行地基處理后，坡腳隨施工進(jìn)程的路堤中心及路肩隨施工進(jìn)程的沉降數(shù)據(jù)及水平位移數(shù)據(jù)。采用塑料排水板配合土工格柵方法處理地基，在每一級荷載作用下沉降量均較大，其次是擠密碎石樁法。塑料排水板配合土工格柵法，在每級荷載作用下沉降穩(wěn)定的速度較快，加固原理是加速軟土地基在加固期間的固結(jié)，地基在施工期間就完成大部分的沉降，減少了工后沉降。擠密碎石樁法是在軟土地基中打入碎石樁，軟土中的水被碎石擠出，達(dá)到軟土固結(jié)硬化對的效果[16]。換填法，是將淺層的軟土換成壓縮量較小的土體，由于軟土下的地基土承載力較大，所以整體的沉降相對較小。不同加載速率，也引起土體產(chǎn)生不同的水平位移，對土體的沉降產(chǎn)生影響[17]；在初次加載2 m時，土體雖然自重較大，但土體不容易充分壓實，所以其沉降量相比1.8 m較小，故加載速率需要控制在保證土體能夠足夠壓實的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

依托國道G111富裕—訥河段A1標(biāo)段的路堤施工，采用有限單元分析的方法，對3種地基加固方法及3種加載速率進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對比得出了9種情況下地基沉降的差異及相似土體情況的最優(yōu)處理方式。

Plaxis有限元軟件可以應(yīng)用于復(fù)雜的巖土工程的數(shù)值模擬中。本文模擬了9種不同情況的施工方案，Plaxis有限元軟件應(yīng)用方便快捷，對本文所需要的本構(gòu)模型已在軟件中得到實現(xiàn)，且都能準(zhǔn)確的得出計算結(jié)果,對于該地質(zhì)情況的濕地軟土，不同加載速率對工期沉降影響較大。根據(jù)Plaxis有限元軟件得出的沉降數(shù)據(jù)可以得出，第一次加載速率需要控制在1.8～2.0 m/d，工期總體沉降較大。

表9 軟基處理方案沉降模擬值

表10 軟基處理方案水平位移模擬值

注：水平位移向道路以外方向為正，相反為負(fù)用“-”表示。

對于該地質(zhì)情況下的濕地軟土，塑料排水板配合土工格柵方法進(jìn)行軟基加固產(chǎn)生的工期沉降最大，工后沉降最小。通過有限元軟件Plaxis模擬結(jié)果與已有工程實測數(shù)據(jù)擬合，在確定模擬過程中的參數(shù)可行的前提下，針對9種方案進(jìn)行模擬，塑料排水板配合土工格柵法處理該地質(zhì)條件下的軟土地基，工期沉降最大，工后沉降最小。

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