結(jié)構(gòu)化路基在深厚軟基處理中的應(yīng)用探討

朱士東,劉穎波

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210017)

1 研究背景

珠江三角洲地勢(shì)平坦開闊，區(qū)內(nèi)河渠縱橫交錯(cuò)，水網(wǎng)密布，由于河流沖積和海潮的進(jìn)退作用，在該區(qū)廣泛沉積了厚層的海陸相交互軟土。這一帶大部分為近代淤積的大孔隙、空架結(jié)構(gòu)的飽和粘土地基，由此形成珠江三角洲淤泥獨(dú)有的工程特性“三高兩低”：含水量高、壓縮性高、塑性指數(shù)高，而強(qiáng)度低、滲透性低。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果，區(qū)域在以往公路、碼頭、深基坑工程中都有滑塌事故發(fā)生，如321國(guó)道(三水線境內(nèi))、佛開高速公路二標(biāo)段、新會(huì)雙水碼頭等；已建公路橋頭跳車現(xiàn)象比較普遍，與中開高速相交的江珠高速橋頭通車8年，最大橋頭差異沉降達(dá)1.1m。如何依據(jù)淤泥的工程特性和特點(diǎn)，選擇合適的加固方法和工藝，安全、經(jīng)濟(jì)、快速地地基處理，是當(dāng)前珠江三角洲工程界和學(xué)術(shù)界的主要課題。

高等級(jí)公路對(duì)深厚軟土進(jìn)行處理過程中，尋求經(jīng)濟(jì)合理、快速有效的處理方法，是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界共同面臨的難題。經(jīng)過多年的理論研究和工程實(shí)踐，工程界提出了多種加固措施使路基大部分沉降量在施工期內(nèi)完成，盡量降低使用期的沉降量，縮短沉降期[1]。

目前常用的軟基處理方法主要有袋裝砂井堆載預(yù)壓、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓、魚塘填平及反壓護(hù)道、泡沫輕質(zhì)土填筑橋頭、水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁等。在具體實(shí)踐中也經(jīng)常組合使用，如預(yù)應(yīng)力管樁+塑料排水板、水泥攪拌樁+泡沫輕質(zhì)土、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓+泡沫輕質(zhì)土等。

但在實(shí)際施工過程中，常出現(xiàn)征拆壓力大，擠壓施工工期的情況，導(dǎo)致軟基處理施工、預(yù)壓周期不足，軟基處理效果差，輕則通車不久即跳車，重則出現(xiàn)滑移，甚至推移橋梁樁基的情況。基于此，為有效提高路基填筑進(jìn)度，路基結(jié)構(gòu)化理念產(chǎn)生，并在中山至開平高速項(xiàng)目試驗(yàn)段中得以進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)段概況

借鑒工程搶險(xiǎn)時(shí)采用圓管涵代替路基填料的思路，兼顧本項(xiàng)目缺方嚴(yán)重，借方運(yùn)距遠(yuǎn)，經(jīng)濟(jì)性差，試驗(yàn)段考慮采用鋼波紋管代替路基填料，達(dá)到減載和提高施工速度的目的。試驗(yàn)段為中開高速某互通E匝道EK0+156～EK0+206段，共50m長(zhǎng)，一般路段，容許工后沉降不大于30cm，試驗(yàn)段地基真空預(yù)壓后采用Φ4m鋼波紋管+輕質(zhì)泡沫土填充的處理方式。

管壁厚度4mm，管之間凈距100cm，管材間采用輕質(zhì)泡沫土填充，管頂厚度50cm，管底設(shè)置50cm級(jí)配良好的砂礫墊層。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

本次研究的主要對(duì)象為路堤，根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件的勘察情況和路堤寬度，設(shè)計(jì)地基計(jì)算深度為20m，素填土3m，淤泥層后15m，黏土層2m，路堤計(jì)算寬度12.5m，路面寬9m。

圖1 結(jié)構(gòu)化路基幾何模型及數(shù)值計(jì)算模型三維立體圖

3.2 基本假定及相關(guān)參數(shù)選取

為方便模擬本次路堤施工過程，加強(qiáng)對(duì)研究對(duì)象路堤的研究，基本假定如下：

(1)地基為已經(jīng)經(jīng)過真空預(yù)壓處理后的狀態(tài)。

(2)地基為帶狀，以平面應(yīng)變模擬和分析。

(3)以摩爾-昆侖彈塑性模型模擬地基的素填土層、粘土層。

(4)以修正劍橋模型模擬地基的淤泥層。

(5)自由表面為透水邊界。

建立模型中的地基為已完成的真空預(yù)壓加固處理后的狀態(tài)，而在路堤的施工過程中，地基必定會(huì)開始新一階段的沉降，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，試驗(yàn)段的各個(gè)層位的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 路基與地基參數(shù)

表2 修正劍橋模型參數(shù)

3.3 結(jié)構(gòu)化路基應(yīng)變分析

(1)結(jié)構(gòu)化路基水平位移分析

對(duì)結(jié)構(gòu)化路基的施工完成以及其工后位移進(jìn)行模擬計(jì)算，得到其在路堤施工完成后的水平位移以及施加荷載后的水平位移云圖，如圖2、圖3所示。

圖2 竣工后的結(jié)構(gòu)化路基水平位移云圖

圖3 施加車輛荷載后的結(jié)構(gòu)化路基水平位移云圖

從圖2、圖3可以看出，竣工后路堤的水平位移和施加車輛荷載后的水平位移在變化趨勢(shì)上基本一致，后者在水平位移數(shù)值上略大于前者。水平位移主要發(fā)生坡腳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，在坡腳位置大直徑管材底部向兩端產(chǎn)生形變，整體結(jié)構(gòu)化路基其余位置并無(wú)明顯水平位移。

(2)大直徑管材應(yīng)變分析

對(duì)結(jié)構(gòu)式路堤的施工中的大直徑管材的變形進(jìn)行模擬計(jì)算，得到其在路堤施工完成后的水平位移以及施加車輛荷載后的位移云圖，如圖4、圖5所示。

圖5 大直徑管材通車后豎向位移云圖

大直徑管材的水平位移主要發(fā)生在管底部分，上部基本不發(fā)生水平位移，由于上部受壓產(chǎn)生豎向位移，同時(shí)地基土與周圍泡沫輕質(zhì)土共同擠壓大直徑管材，使得大直徑管材底部產(chǎn)生向兩側(cè)的水平位移。由圖5可以看出，竣工后的大直徑管材豎向位移小于施加車輛荷載后的豎向位移。在管頂位置設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)式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30.3mm，在結(jié)構(gòu)式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51.2mm，與路堤表面的沉降基本一致。通過對(duì)比可以看出，隨著泡沫輕質(zhì)土的填筑以及路面結(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，受上覆荷載和泡沫輕質(zhì)土的擠壓發(fā)生水平側(cè)向位移，導(dǎo)致大直徑管材底部中心位置有產(chǎn)生向上隆起的趨勢(shì)，但其向上的數(shù)值很小，故并不會(huì)產(chǎn)生明顯的向上的形變。

4 結(jié)構(gòu)化路基沉降計(jì)算及對(duì)比分析結(jié)論

為了便于分析路基沉降，對(duì)工程計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，由于波紋鋼管不方便直接計(jì)算，通過等效替換得到用結(jié)構(gòu)式路堤填筑后的土層的等效重度。在1m3的土體中按原來(lái)土體中所含的各材料占體積比來(lái)重新組合得到計(jì)算參數(shù)。通過等效換算可得波紋鋼管結(jié)構(gòu)路堤置換土層的等效重度γ=3.78kN/m3。簡(jiǎn)化后的試驗(yàn)段填筑完成后的路堤包含50cm級(jí)配良好的砂礫墊層，路面結(jié)構(gòu)包含路床和70號(hào)A級(jí)石油瀝青路面及標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載。

依托工程地質(zhì)報(bào)告資料選擇現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段，利用考慮蠕變沉降計(jì)算理論對(duì)大直徑鋼波紋管結(jié)構(gòu)化路堤聯(lián)合真空預(yù)壓工程進(jìn)行了沉降計(jì)算分析，主要對(duì)各階段沉降以及工后沉降進(jìn)行了理論計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

研究結(jié)果表明，考慮蠕變沉降計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果以及目前現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果較為相符，相較于不采用蠕變沉降更精確，說(shuō)明了其可靠性，結(jié)構(gòu)化路基方案可以滿足規(guī)范規(guī)定的不大于30cm沉降的要求。大直徑管材替代路基填料的結(jié)構(gòu)化路基方案可以為軟基處理提供新思路。