大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤在深厚軟基中的應(yīng)用研究

王永疆, 聶丁潔, 張留軍, 劉洋， 劉韓冰, 王振梁*

(1.中國電建路橋集團有限公司， 北京市 100048； 2.北京科技大學(xué))

中國沿海地區(qū)的高速公路有相當(dāng)一部分建在深厚軟土地基上，其土質(zhì)以海陸相交互的沖淤泥、淤泥質(zhì)土為主，這類土一般含水量高、孔隙比大、滲透性小、壓縮性高、抗剪強度低，且土層厚度大。軟土層在外荷載作用下會產(chǎn)生較大的沉降以及不均勻沉降。因此，控制工后沉降成為公路建設(shè)中重點關(guān)注的問題之一。

控制工后沉降的方法之一就是對軟土路基進行處理。國內(nèi)外對軟土地基處理進行了很多研究，目前公路軟基處理方法的主要原理有：① 挖除不符合工程要求的軟弱土層，換填物理力學(xué)性能好的土；② 利用重錘落下的強大沖擊打擊土體，從而強制土體密實的夯實方法；③ 通過在土體中構(gòu)造排水通道，再配合適當(dāng)?shù)耐饬M行預(yù)壓，迫使土體中的水通過排水通道排出而達到排水固結(jié)的效果；④ 在土體中加入構(gòu)造物，使土體和構(gòu)造物共同提供承載力的復(fù)合地基法。

除了通過地基處理加固地基外，還可以通過降低路堤荷載減少工后沉降，該文采用的大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤，就是這一控沉方式。裝配式大直徑管材被大量應(yīng)用于涵洞工程，但應(yīng)用于高速公路深厚軟土路基的沉降控制較少。該文提出應(yīng)用大直徑波紋管修建結(jié)構(gòu)化路堤，是將通常用于快速搶修工程中的大直徑管材用來進行路堤填筑，在常規(guī)軟土路基處理的基礎(chǔ)上，再通過這種結(jié)構(gòu)化路堤進一步減輕路堤荷載，從而實現(xiàn)工后沉降的大幅降低，避免運營過程中病害的發(fā)生，提高行車舒適性，減少后期養(yǎng)護和維修成本，實現(xiàn)全壽命周期成本最優(yōu)。

1 工程概況

廣東省中(山)—開(平)高速公路全線長133 km，雙向六車道，主線路基設(shè)計寬度為34 m，匝道路基設(shè)計寬度為9 m，設(shè)計速度為120 km/h。全線特殊路基處理主要分布在新會區(qū)，工程量大且多為深淤泥質(zhì)軟基，試驗段的軟土天然含水量為90.7%，天然孔隙比為2.37，壓縮系數(shù)為0.832 MPa-1，具有含水量高、孔隙比大、強度指標(biāo)低、可壓縮性高等特點。在雙水互通E匝道先進行真空預(yù)壓地基處理，然后采用大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤的聯(lián)合加固減載措施，大直徑管材的直徑為4 m，控制橋頭段的工后沉降。試驗段樁號為EK0+156～EK0+206，試驗段路基縱剖面圖如圖1所示。

圖1 大直徑管材裝配式路基縱剖面圖(單位：cm)

試驗段場地內(nèi)土層從上往下分別為：① 素填土：灰褐～灰色，黏性土為主，頂部可塑、底部流塑～軟塑，濕，層底埋深2.0 m左右；② 淤泥：灰色，流塑～軟塑，飽和，高壓縮性，滲透性差，含少許碎貝殼，局部夾粉質(zhì)黏土薄層，層底埋深17.0 m左右；③ 黏土：淺黃色，濕，可塑，黏性較好，局部分布，層底埋深20.0 m左右；④ 粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，零星分布，層底埋深25.0 m左右。

路堤總高度為5 m，底部砂礫墊層厚度為0.5 m，大直徑管材的直徑為4 m，泡沫輕質(zhì)土厚度為4.5 m，泡沫輕質(zhì)土的密度為600 kg/m3。路基從2019年4月開始填筑，于2019年5月填筑完成。

2 現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析

試驗段埋設(shè)了測斜導(dǎo)管、多點位移計、橫剖管等儀器監(jiān)測路堤的水平位移、分層沉降、剖面沉降等?，F(xiàn)場儀器平面及剖面布置圖如圖2、3所示。

圖2 路基監(jiān)測儀器布置圖

圖3 大直徑管材監(jiān)測儀器布置圖

監(jiān)測時間為2019年5月至2020年5月，共12個月。下面選擇有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對采用大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤的變形特性進行分析。

2.1 水平位移分析

圖4為EK0+191斷面的路基土體水平位移曲線。

圖4 水平位移監(jiān)測結(jié)果

由圖4可看出：隨著時間的推移，上覆荷載不斷增加，土體的水平位移逐漸增加，在深度為2～6 m處水平位移增加量尤為明顯。8 m以下水平位移變化量較小，這種變化趨勢與上覆荷載對土體的影響深度以及土層性質(zhì)有關(guān)。

2.2 剖面沉降分析

圖5為EK0+180斷面的剖面沉降曲線，圖中所選數(shù)據(jù)為試驗段路堤填筑后1年的剖面沉降量。

圖5 剖面沉降監(jiān)測結(jié)果

從圖5可以看出：隨著時間和上覆荷載的不斷增加，路基的剖面沉降逐漸增大，并呈現(xiàn)出中間沉降量大于兩邊沉降量的趨勢。

2.3 分層沉降分析

圖6為EK0+191斷面的分層沉降曲線。

從圖6可以看出：隨著時間和上覆荷載的不斷增加，路基分層沉降隨著土層位置的深度增加不斷減小，距離路面越近沉降值越大，沉降主要發(fā)生在地表以及距地表4 m處，最大沉降出現(xiàn)在地表位置。

圖6 分層沉降監(jiān)測結(jié)果

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 計算模型

為了進一步分析采用結(jié)構(gòu)化路堤對工后沉降的影響，采用FLAC3D對試驗段具體工況進行了數(shù)值模擬。根據(jù)實際地質(zhì)條件和路堤寬度建立的幾何模型和數(shù)值模型分別如圖7、8所示。模型計算深度為20 m，其中素填土3 m，淤泥層厚15 m，黏土層厚2 m。路堤計算寬度12.5 m，路面寬9 m。

圖7 幾何計算模型(單位：m)

圖8 數(shù)值計算模型

3.2 計算參數(shù)

模擬主要分析對象為路堤，模型中的地基為已完成真空預(yù)壓加固處理后的狀態(tài)。路堤的填筑施工開始后，地基必定會開始新一階段的沉降，模擬過程中設(shè)置素填土層、黏土層和粉質(zhì)黏土層采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，淤泥層設(shè)置為修正劍橋本構(gòu)模型。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料和經(jīng)驗，試驗段各土層的計算參數(shù)如表1所示。

表1 路堤與地基參數(shù)

3.3 邊界條件及初始條件

在建立地基土數(shù)值模型時，將路堤部分先設(shè)置為空網(wǎng)格，計算在重力作用下真空預(yù)壓施工完成后的地基應(yīng)力，并將模型的位移在計算結(jié)束之后歸零，以使得路堤施工前整個地基處于正常固結(jié)狀態(tài)。

網(wǎng)格模型的前后邊界在X方向上受到水平速度約束；模型底部在X、Y、Z3個方向上受到相當(dāng)于固定支座效應(yīng)的速度約束；在Y方向上該模型各個節(jié)點也受到速度約束。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 結(jié)構(gòu)化路堤水平位移分析

結(jié)構(gòu)化路堤施工完成后的水平位移如圖9所示。

圖9 竣工后的結(jié)構(gòu)化路堤水平位移云圖(單位：m)

由圖9可看出:水平位移主要發(fā)生在坡腳以及大直徑管材與地基接觸處，由于上覆荷載擠壓，路堤填筑物產(chǎn)生壓縮，土體向兩側(cè)擠壓，在坡腳的位置大直徑管材底部向坡腳端產(chǎn)生形變，整體結(jié)構(gòu)式路堤其余位置并無明顯水平位移。

3.4.2 大直徑管材變形分析

結(jié)構(gòu)化路堤施工完成的水平位移以及豎直位移云圖，如圖10、11所示。

由圖10、11可以看出：大直徑管材的水平位移主要發(fā)生在管底部分，上部基本不產(chǎn)生水平位移，這是由于地基土與周圍泡沫輕質(zhì)土共同擠壓大直徑管材，使得其底部產(chǎn)生向兩側(cè)的水平位移。同時管材的上部由于受壓產(chǎn)生較大的豎向位移。

圖10 竣工后大直徑管材水平位移云圖(單位：m)

圖11 竣工后大直徑管材豎向位移云圖(單位：m)

在管頂位置設(shè)置變形監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：結(jié)構(gòu)化路堤竣工后大直徑管材的最大豎向位移出現(xiàn)在管頂部中心處，為30.3 mm，在結(jié)構(gòu)化路堤上施加車輛荷載后，大直徑管材的最大豎向位移出現(xiàn)在管頂部中心處，為51.2 mm，與路堤表面的沉降基本一致。

隨著泡沫輕質(zhì)土的填筑、路面結(jié)構(gòu)的施工和車輛荷載的施加，上覆荷載不斷增大，路堤產(chǎn)生沉降，路堤填筑層發(fā)生壓縮。下部大直徑管材受擠壓產(chǎn)生向下的變形，同時受地基土和泡沫輕質(zhì)土的擠壓發(fā)生水平側(cè)向變形，導(dǎo)致大直徑管材底部中心位置產(chǎn)生向上隆起的趨勢(向上變形很小)。

3.4.3 土體水平位移分析

為了解試驗段地表以下土體水平位移的情況，在試驗段EK0+191設(shè)置了監(jiān)測點，監(jiān)測點豎向間距為0.5 m。不同深度地基水平位移模擬結(jié)果見圖12。

圖12 水平位移模擬曲線圖

由圖12可以看出：上覆荷載使得路基土體產(chǎn)生向外的側(cè)向水平位移。隨著時間的推移，上覆荷載不斷增加，水平位移也呈逐漸增大的趨勢。水平位移隨著土體深度的增加先增加后逐漸減小，在坡腳處和深度較深的位置水平位移量較小，在路基土中上部水平位移最大。

監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果在位移變化趨勢上基本一致，但監(jiān)測結(jié)果在數(shù)值上較小，主要是由于模擬計算時將標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載簡化為均布荷載，地基土受力均勻，而實際運行中車流量大小的變化以及工程周圍存在的大型工廠等均會影響深層土體的水平位移。

3.4.4 路基剖面沉降分析

在EK0+180計算模型中設(shè)置監(jiān)測點進行剖面沉降監(jiān)測，監(jiān)測點豎向間距為0.5 m，模擬得到的路基剖面沉降變化情況如圖13所示。

圖13 剖面沉降模擬曲線圖

從圖13可以看出：計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果在變化趨勢上基本一致，隨著時間和上覆荷載的增加路基剖面沉降逐漸增大。但計算結(jié)果在數(shù)值上較監(jiān)測結(jié)果偏大，這與土體水平位移的計算結(jié)果偏大的原因一致。

3.4.5 分層沉降分析

為了分析不同土層的沉降變形差異，在模型中設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測距地基表層、4、8、12、16、20 m處的豎向沉降值，模擬結(jié)果如圖14所示。

圖14 分層沉降數(shù)值模擬曲線圖

對比監(jiān)測結(jié)果與模擬計算結(jié)果，路基分層沉降的總體變化趨勢基本一致，但計算結(jié)果在數(shù)值上較監(jiān)測結(jié)果大，考慮到試驗段斷面位置與地質(zhì)勘察取樣的位置不在同一個地質(zhì)橫斷面上，同時，實際工程的土層并非均質(zhì)，而在模擬時，整個土體均按均質(zhì)材料進行模擬計算，在對模型參數(shù)進行取值時也較保守，這些原因均可能導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在一定的差異性。

4 大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤設(shè)計建議

目前大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤在公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但在軟土路基上用于減沉作用的應(yīng)用較少，從該工程的應(yīng)用效果看，采用大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤對于減少軟基沉降效果明顯，實際應(yīng)用中聯(lián)合其他軟基處理措施，可以很好地解決深厚軟土路基沉降過大的問題。

基于該工程試驗段的試驗結(jié)果以及數(shù)值模擬得到的沉降規(guī)律，該文給出大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤的推薦設(shè)計建議，如表2所示。

表2 大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤推薦設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

通過大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤的現(xiàn)場試驗研究與數(shù)值模擬，分析了大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤在減少路基沉降方面的效果以及大直徑管材的受力與變形特性，得出主要結(jié)論如下：

(1) 大直徑管材的最大豎向位移出現(xiàn)在管頂部中心處，為51.2 mm，與路堤表面的沉降基本一致。其水平位移主要發(fā)生在管底部分，上部基本不發(fā)生水平位移，由于上部受壓產(chǎn)生豎向位移，同時地基土與周圍泡沫輕質(zhì)土共同擠壓使得大直徑管材底部產(chǎn)生向兩側(cè)的水平位移變形。

(2) 隨著時間和上覆荷載的不斷增加，地基土體水平位移和剖面沉降呈逐漸增大的趨勢。水平位移隨著土體深度的增加逐漸減小，在坡腳處和深度較深位置水平位移量較小，在路基土中上部水平位移最大。

(3) 現(xiàn)場試驗和模擬結(jié)果均表明：采用大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤對于減少軟基沉降效果明顯，實際應(yīng)用中聯(lián)合其他軟基處理措施，可以很好地解決深厚軟土路基沉降過大的問題。同時基于現(xiàn)場試驗監(jiān)測和數(shù)值模擬得到的沉降規(guī)律，給出了大直徑管材結(jié)構(gòu)化路堤的設(shè)計建議。