拋石擠淤軟土加固技術(shù)及路基沉降影響因素分析

邵勇強(qiáng)

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

在高速公路建設(shè)過程中，軟土路基問題一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點課題。

溫宇軒[1]等對水泥攪拌樁的作用原理、施工工藝進(jìn)行了分析總結(jié)，并對軟土地基處治的思路和水泥攪拌樁的質(zhì)量檢測方法進(jìn)行了研究。徐全亮[2]等通過建立數(shù)值計算模型對濱海公路軟土路基拼接處沉降量和水平位移進(jìn)行了研究。杜毅[3]等通過有限元軟件建立了碎石樁法處理軟土路基的計算模型，對不同樁深、樁間距、地基彈模和路堤高度對沉降量的影響進(jìn)行了分析。杜廣印[4]等通過ABAQUS有限元軟件對深厚海相軟土臨河公路擴(kuò)建地基處理方法進(jìn)行了研究，同時還對雙向粉噴樁、預(yù)制方樁的經(jīng)濟(jì)性與處治效果進(jìn)行了對比分析。

在已有研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合遼寧某在建高速公路工程，對軟土成因與特征、軟土路基處治技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié)，并基于MIDAS/GTS NX有限元軟件對拋石擠淤法影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并分析了路基沉降隨不同因素的分布規(guī)律。

1 軟土成因及特征分析

軟土一般指外觀以灰色為主，天然孔隙≥1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，通常在海邊、湖沼周圍等靜水環(huán)境中經(jīng)過長時間的地質(zhì)積累和物化反應(yīng)形成，此種環(huán)境下土體顆粒通常較小，且主要為黏土或粉土顆粒。軟土的形成條件較為復(fù)雜，致使軟土的主要成分取決于周圍環(huán)境，軟土顆粒表面通常帶有負(fù)電荷，可以與水分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，在顆粒外圍形成一層結(jié)合水膜，致使其與其他土顆粒很難結(jié)合，最終導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)不緊密，可壓縮性較強(qiáng)[5]。

2 軟土地基處治技術(shù)分析

2.1 換填法

換填法是將地基下一定深度范圍內(nèi)的軟土清除，再用強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、且壓縮性較低的材料填埋。主要適用于以腐殖土、淤泥質(zhì)土、雜填土的軟土地基中，處治深度通常在0～3 m范圍內(nèi)。路基工程中常采用碎石、粉煤灰及礦渣作為換填材料來處理軟土路基。換填法對于具有明顯特殊性的土質(zhì)處理效果較好，如對膨脹土進(jìn)行換填，以消除路基與土層之間的脹縮效應(yīng)；可對濕陷性黃土進(jìn)行換填，來消除其濕陷性；還可對季節(jié)性凍土進(jìn)行換填，以降低凍融循環(huán)對路基造成的損傷作用。

2.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法的工作原理是通過起吊設(shè)備將具有特定重量的夯錘吊起，然后讓重錘脫離起吊設(shè)備，使其自由落體，通過重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，動能又在夯錘落地瞬間轉(zhuǎn)換為沖擊表面能，由于夯錘落地瞬間產(chǎn)生巨大震動聲響，沖擊表面能又可通過波的輻射作用傳向四周，使夯坑周圍土體產(chǎn)生震動摩擦，使土體顆粒之間的咬合力加大，顆粒之間更加緊密，從而使土體快速實現(xiàn)壓縮固結(jié)，提升整體承載能力，最終實現(xiàn)地基夯實。強(qiáng)夯法夯錘一般為10～50 t，起吊高度一般為20～50 m。強(qiáng)夯法適用于土層中含有砂土、雜填土及非飽和黏土的軟土地基，其中非飽和黏土需通過試驗檢測來確定是否適用于強(qiáng)夯法。

2.3 堆載預(yù)壓法

該方法是通過現(xiàn)場的材料和機(jī)械對軟土地基進(jìn)行預(yù)壓。在預(yù)壓荷載作用下，土體孔隙中的水分沿排水系統(tǒng)排出地基，地基快速沉降并逐漸達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，承載力提高，預(yù)壓一定時間后，地基基本穩(wěn)定，逐漸卸除預(yù)壓荷載，實現(xiàn)地基加固。一般情況下，預(yù)壓荷載模擬的是建筑物荷載大小，但在實際施工過程中為保證建筑物安全穩(wěn)定為建筑物荷載乘以安全系數(shù)，安全系數(shù)通常取1.4左右。堆載預(yù)壓法采用逐級加載，每級都要經(jīng)過一段時間蠕變，通過施樁體豎向變形、邊樁位移及孔隙水壓力的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷下一級荷載的加載時間。

2.4 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法是通過氣壓差來實現(xiàn)地基的快速固結(jié)。將排水管提前預(yù)埋在軟土地基中，并在管體上方鋪一層厚度適中的砂土充當(dāng)墊層，在整個地基表面加蓋一層密閉性好的塑料膜，并抽凈薄膜內(nèi)空氣，使膜內(nèi)土體處于真空狀態(tài)，此時塑料膜內(nèi)外產(chǎn)生壓差，且外部氣壓大于內(nèi)部氣壓，從而在大氣壓力作用下土體快速固結(jié)。

2.5 表層排水法

表層排水法是針對地基表層含水量較大，且地基土質(zhì)相對較好的地區(qū)，通過在基礎(chǔ)表面開挖溝槽，讓路基表面水分通過溝槽排出路基范圍，使地基土體快速固結(jié)，達(dá)到施工技術(shù)要求。布設(shè)溝槽時，應(yīng)盡可能的利用地形條件，使地基表層水分沿坡度流入溝槽后排出，當(dāng)含水量相對較大時，應(yīng)增加溝槽密度，加大排水量。溝槽斷面尺寸為寬0.5 m，高0.7 m，可根據(jù)具體排水量適當(dāng)增減尺寸，排水結(jié)束后，可采用透水性較好的碎石填充溝槽，形成排水盲溝。

2.6 碎石樁法

該方法的原理是通過向軟土地基內(nèi)插入碎石樁，讓樁體和土基共同承擔(dān)土基上部荷載。碎石樁法通過震動沖擊設(shè)備和高壓水槍的共同作用下在軟土地基上打孔，在確認(rèn)孔內(nèi)無雜物后向孔中倒入級配良好，材質(zhì)堅硬的碎石或卵石成樁，通過調(diào)整碎石樁密度來實現(xiàn)樁體和土基共同承擔(dān)上部荷載的目的，進(jìn)而加大地基承載力。碎石樁在處理軟土?xí)r具有如下三方面表現(xiàn)：首先是碎石樁能夠置換掉一部分軟弱土體；其次是碎石樁能夠擠壓土體內(nèi)部孔隙；最后是碎石樁能夠起到盲井作用，使軟土地基內(nèi)的水分沿樁孔排出地基范圍，加快土體固結(jié)速度。

2.7 反壓護(hù)道法

該方法就是通過外部荷載對道路路基實施反壓，一般是在路堤左右兩側(cè)堆起一定體積土體，通過堆積土體自身重力對路基施加反壓載荷，使路堤在施工期間不會發(fā)生破壞，提升路基整體穩(wěn)定性。該方法操作簡單，對設(shè)備及堆積體材料要求不高，但該方法同樣存在其缺點，首先該方法占地面積較大，土方使用量較大，路堤兩側(cè)路基沉降量較大，且該方法主要適用于非耕種地區(qū)。

2.8 拋石擠淤法

該方法的原理是通過向淤泥層軟土地基中拋入碎石等堅硬材料，將淤泥層中的淤泥擠出地基范圍之外。處治過程中，淤泥層始終處于失穩(wěn)狀態(tài)，碎石在落入淤泥層時動能越大，淤泥擠出的效果越高，因此，在保證施工安全的條件下，宜將碎石盡可能在高處拋出，這樣碎石在重力作用下會產(chǎn)生更大的動能，達(dá)到擠出淤泥，碎石置換淤泥，提升地基承載力的目的。拋石擠淤法主要適用于具有流動性、液性指數(shù)較大的軟土地基，如池塘、沼澤等表土層硬度較弱的地基，處理深度一般在3～4 m左右，碎石尺寸按球狀計算，直徑一般不小于35 cm。機(jī)械拋石應(yīng)從路堤中間位置開始，逐漸向兩側(cè)拋石，且應(yīng)根據(jù)地勢情況，由高向低逐步進(jìn)行，待拋出碎石具有一定高度后，采用壓力機(jī)進(jìn)行碾壓，如此重復(fù)操作，直至路基超出地表，此時采用直徑較小的級配碎石對拋石地基進(jìn)行填縫處理，之后對處理后的拋石地基再次碾壓，直至滿足路基使用標(biāo)準(zhǔn)為止。

綜上可知，本文所要處理的軟土地基是遼寧某在建高速公路穿越一處廢棄人工池塘，池塘占地面積500 m2，長約25 m，寬約20 m，池塘底部有大量淤泥，深度在3～4 m。經(jīng)現(xiàn)場勘探和專家討論，建議采用拋石擠淤法進(jìn)行路基處治。

3 拋石擠淤體對路基沉降影響因素分析

3.1 模型建立

根據(jù)遼寧某在建公路設(shè)計資料可知，路基寬度為24 m，路基高度為5 m，每層設(shè)置高度為1 m，坡比為1∶1.5，逐層填筑，分層碾壓。由于路基具有對稱性，為簡化數(shù)值模擬計算量，取中線一側(cè)路基進(jìn)行建模，為減少外部邊界條件給數(shù)值模擬結(jié)果帶來的誤差，土基寬度取35 m，深度取15 m。本文數(shù)值模擬所采用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb彈塑性模型，并且認(rèn)為各土層材料均為各向同性。

圖1 路基網(wǎng)格模型

根據(jù)工勘報告可知，路基計算范圍土體主要由地表土、淤泥土和粉質(zhì)黏土組成，各土層及路填料的材料參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

3.2 路基沉降影響因素分析

為分析拋石體各參數(shù)對路基沉降的影響，本文通過MIDAS/GTS NX對不同影響因素下路基沉降變形進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對不同影響因素下路基沉降規(guī)律進(jìn)行分析。文中主要考慮拋石體的厚度、寬度、彈性模量和黏聚力。

圖2(a)～(d)分別為不同位置處路基沉降量與拋石體厚度、拋石體寬度、拋石體彈性模量及拋石體黏聚力之間關(guān)系曲線，可以看出，路基沉降量隨各參數(shù)增大均逐漸減小，其中，路基沉降量隨拋石體厚度和寬度的降幅逐漸減小，曲線逐漸趨緩，表明拋石體的幾何尺寸越大，軟土路基的處治效果越好，但并不意味著拋石體尺寸無限大，應(yīng)結(jié)合工程實際，當(dāng)拋石體尺寸滿足路基允許沉降量時即可，避免造成不必要的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

路基沉降量隨拋石體彈性模量和黏聚力逐漸減小，但曲線分布與拋石體幾何尺寸不同，隨著彈性模量、黏聚力的逐漸增大，曲線降幅先逐漸增大，之后又逐漸減小，最終路基沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，其原因是由于隨著拋石體材料力學(xué)參數(shù)的逐漸增大，其剛度、強(qiáng)度增大明顯，抵抗路基荷載能力顯著增強(qiáng)，路基沉降量陡降，隨著力學(xué)參數(shù)的繼續(xù)增大，路基沉降量降幅逐漸減小，路基沉降量逐漸趨緩，可見，與拋石體幾何尺寸相同，一味的增大拋石體力學(xué)參數(shù)同樣會造成材料浪費和經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)結(jié)合實際情況及現(xiàn)場試驗來確定合適的拋石體力學(xué)參數(shù)。

圖2 路基沉降量隨各影響因素分布規(guī)律

4 結(jié)論

(1)軟土主要通過土體長時間的地質(zhì)積累和物化反應(yīng)而形成，且軟土顆粒長期處于水流不暢或靜水環(huán)境中，致使軟土具有含水量大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度底等特點。

(2)軟土處治技術(shù)主要包括，換填法、強(qiáng)夯法、堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、表層排水法、碎石樁法、反壓護(hù)道法和拋石擠淤法。

(3)路基沉降量隨拋石體幾何尺寸的增大呈逐漸減小趨勢，且降幅逐漸減小，路基沉降逐漸趨緩；路基沉降量隨拋石體力學(xué)參數(shù)的增大呈逐漸減小趨勢，且降幅先增大再減小，并逐漸趨緩。