高速公路軟土地基處理方案比選與分析

■鄭孝煉

（寧德三都澳高速公路有限責(zé)任公司，寧德 355100）

近年來， 隨著高速公路拓寬工程的大規(guī)模發(fā)展，有效解決了我國(guó)部分地區(qū)的交通擁堵問題[1]。 但在道路擴(kuò)建施工過程中，由于設(shè)計(jì)者對(duì)軟土地基加固處理不當(dāng)，導(dǎo)致道路新舊路基間存在較大沉降差異，甚至出現(xiàn)路面縱向裂縫及路基開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了道路安全穩(wěn)定性[2-3]。 因此，如何有效處治拓寬工程中的軟土地基，以及降低新舊路基間的沉降差異已成為當(dāng)下學(xué)者亟需研究的重要課題[4]。 如趙鑫[5]研究了水泥攪拌樁對(duì)公路軟土地基深層處治效果， 通過布置測(cè)點(diǎn)對(duì)處治后地基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)樁體強(qiáng)度、樁間土強(qiáng)度及單樁承載力均滿足設(shè)計(jì)安全；張秀勇等[6]研究了碎石樁加固湖相沉積軟土地基的效果，發(fā)現(xiàn)路堤在這種柔性基礎(chǔ)下，采用加設(shè)碎石墊層的碎石樁復(fù)合地基可以顯著改善深厚軟土地基的承載性能；謝全福等[7]發(fā)現(xiàn)錘擊成孔振沖碎石樁具有便于取材、工程造價(jià)低、施工工藝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高軟土地基的承載力，可在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用；王荃[8]發(fā)現(xiàn)采用合理的軟土路基加固粉噴樁施工技術(shù)，可有效改善軟土路基問題，提高路基整體質(zhì)量，為同類軟土路基施工提供參考意見。 目前，學(xué)者關(guān)于不同類型樁基處治軟土地基的設(shè)計(jì)與施工研究已相對(duì)完善，但關(guān)于泡沫輕質(zhì)土處治軟土地基的研究還有待進(jìn)一步深入。 基于此，本文以某高速公路拓寬項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過有限元軟件對(duì)比分析了CFG 樁、PTC 管樁及泡沫輕質(zhì)土對(duì)軟土地基的處治效果，并確定了泡沫輕質(zhì)土處治軟土地基的優(yōu)良效果。

1 工程概況

某高速公路拓寬項(xiàng)目位于平原地區(qū)，沿線公路地勢(shì)平坦，地形簡(jiǎn)單，軟土分布較為廣泛，各土層在水平方向分布及性質(zhì)較為均勻。 地區(qū)降水季節(jié)性分布差異明顯，雨季主要集中在7-10 月，降水量約為420 mm，占全年降水量的60%左右。氣候四季分明，且差異較大，夏季表現(xiàn)為悶熱干燥、降水少，冬季寒冷潮濕、 降水多，7 月份整體氣溫偏高，1 月份整體氣溫偏低。 該拓寬項(xiàng)目原設(shè)計(jì)高速公路為雙向四車道，設(shè)計(jì)車速為120 km/h，路基寬度為25 m，路基高度在2.5～6 m，原路基邊坡坡度均為1∶1.75，路基拓寬方式采用兩側(cè)道路同時(shí)拼接加寬，單側(cè)拓寬寬度為4.25 m，高速公路拓寬為雙向六車道，路基邊坡坡度設(shè)計(jì)為1∶1.5。根據(jù)原地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果顯示，該路段軟土地基厚度在16～28 m，主要由5.5 m 厚淤泥質(zhì)黏土層、7.5 m 厚粉質(zhì)黏土層、8 m 厚黏土層和9 m 厚粉細(xì)砂層構(gòu)成，其關(guān)鍵截面如圖1 所示。

圖1 軟土路基截面示意圖

2 地基處理方案

根據(jù)對(duì)軟土分布情況以及各層土體技術(shù)參數(shù)的分析，同時(shí)結(jié)合對(duì)施工難度、填土高度及經(jīng)濟(jì)效益等因素的綜合考慮，該高速公路拓寬工程可采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）、預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁（PTC 管樁）及泡沫輕質(zhì)土3 種軟土地基處理方案，具體施工流程及優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 軟土地基處理方案施工流程及優(yōu)缺點(diǎn)

3 有限元模型

運(yùn)用有限元軟件PLAXIS 建立高速公路拓寬路基數(shù)值模型，計(jì)算模型水平影響區(qū)域?yàn)?0 m，計(jì)算深度取至地下30 m， 網(wǎng)格劃分采用高精度的15 節(jié)點(diǎn)三角形單元，模型中共包含427 個(gè)單元和503 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖2 所示。

圖2 軟土路基有限元模型

為方便計(jì)算，在有限元分析中假定路面、土體及樁體均為各項(xiàng)同性均質(zhì)體，路面、樁體均為線彈性體，遵循廣義胡克定律，土體采用摩爾—庫(kù)倫塑性模型，視為理想彈塑性體。 地基土體為非飽和狀態(tài)，不考慮孔隙水壓力作用和樁體重力作用，樁體與地基土不產(chǎn)生相對(duì)滑移。 邊界采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，對(duì)模型底部及右側(cè)施加固定約束，水平位移和豎直位移均為0，模型兩側(cè)均施加水平位移約束，豎直向位移無約束， 路基表面及邊坡均為自由界面。計(jì)算參數(shù)主要考慮新、舊路基土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、黏土及粉細(xì)砂層，如表2 所示。

表2 有限元模型計(jì)算參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 CFG 樁處理軟土地基沉降分析

通過建立CFG 樁處理的軟土地基計(jì)算模型，樁間距設(shè)為2 m， 針對(duì)不同樁長(zhǎng)的新舊路基表面沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 CFG 樁處理地基沉降變化曲線

根據(jù)圖3 可知， 軟土地基未采用CFG 樁加固時(shí)，新舊路基表面的整體沉降值要明顯大于加固過的新舊路基，說明采用CFG 樁加固軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降。 隨著CFG 樁長(zhǎng)的增大，拓寬路基表面沉降值逐漸減小，其中采用8 m 樁長(zhǎng)加固的拓寬路基最大沉降值可降低24.9%， 采用10 m樁長(zhǎng)加固的拓寬路基最大沉降值可降低31.6%，采用12 m 樁長(zhǎng)加固的拓寬路基最大沉降值可降低37.3%，由此可知軟土地基加固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，拓寬路基表面的整體沉降值越小。 綜合來看，軟土地基選擇12 m 的CFG 樁加固時(shí)， 對(duì)于拓寬路基的沉降差異控制效果更優(yōu)。

4.2 PTC 管樁處理軟土地基沉降分析

通過建立PTC 樁處理的軟土地基計(jì)算模型，樁間距設(shè)為2 m， 針對(duì)不同樁長(zhǎng)的新舊路基表面沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 PTC 樁處理地基沉降變化曲線

根據(jù)圖4 可知， 軟土地基未采用PTC 樁加固時(shí)，新舊路基表面的整體沉降值要明顯大于加固過的新舊路基，說明采用PTC 樁加固軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降。 隨著PTC 樁長(zhǎng)的增大，拓寬路基表面沉降值逐漸減小， 其中采用12 m 樁長(zhǎng)加固的拓寬路基最大沉降值可降低31.7%，采用14 m樁長(zhǎng)加固的拓寬路基最大沉降值可降低37.3%，采用16 m 樁長(zhǎng)加固的拓寬路基最大沉降值可降低49.7%，由此可知軟土地基加固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，拓寬路基表面的整體沉降值越小。 綜合來看，軟土地基選擇16 m 的PTC 樁加固時(shí)，對(duì)于拓寬路基的沉降差異控制效果更優(yōu)。

4.3 泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基沉降分析

通過建立泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基計(jì)算模型，針對(duì)新舊路基表面沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 泡沫輕質(zhì)土處理地基沉降變化曲線

根據(jù)圖5 可知，采用泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基時(shí)，新舊路基表面的整體沉降值要明顯小于未加樁的新舊路基，說明采用泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降。 對(duì)于舊路基而言，采用泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基后，路基表面最大沉降值可降低46.7%，對(duì)于新舊路基結(jié)合處而言，采用泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基后，路基表面最大沉降值可降低54.6%，對(duì)于新路基而言，采用泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基后，路基表面最大沉降值可降低59.2%，由此說明軟土地基采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)于控制拓寬路基的不均勻沉降效果非常顯著。

4.4 不同地基處理方案效果分析

為比較不同地基處理方案的加固效果，分別采用12 m 的CFG 樁、16 m 的PTC 管樁及泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基，并針對(duì)新路基最大沉降及新舊路基最大沉降差異值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同地基處理方式沉降變化曲線

根據(jù)圖6 可知， 采用3 種軟土地基處理方案后，新舊路基的最大沉降值和差異沉降值要明顯小于未加樁的新舊路基，說明3 種軟土地基處理方案均可有效降低拓寬路基沉降。 對(duì)于控制新路基最大沉降而言，未加樁的新路基最大沉降值為14.23 mm，而采用CFG 樁、PTC 管樁及泡沫輕質(zhì)土處理的新路基最大沉降值分別可降低5.27、7.29 和8.43 mm，其中泡沫輕質(zhì)土的地基處理方式效果最好。 對(duì)于控制新路基最大沉降差異而言，未加樁的新路基最大沉降差異為8.48 mm，而采用CFG 樁、PTC 管樁及泡沫輕質(zhì)土處理的新路基最大沉降差異分別可降低4.72、5.7 和5.86 mm， 其中PTC 管樁和泡沫輕質(zhì)土的地基處理方式效果較好。 綜合來看，對(duì)于控制新舊路基的最大沉降和不均勻沉降而言，本項(xiàng)目的軟土地基采用泡沫輕質(zhì)土處理方式效果更好。 另外，因泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部分布著大量的單獨(dú)閉合膠質(zhì)氣泡，一般情況下氣泡之間是互不通水，但如果施工不當(dāng)，損壞了泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。 因此，在施工前，要做好專項(xiàng)施工方案并對(duì)施工人員做好相關(guān)培訓(xùn)，以杜絕因泡沫輕質(zhì)土損壞而產(chǎn)生的的滲水現(xiàn)象發(fā)生。 此外，在部分地下水含量較高的區(qū)域，路基處理還可以采用“樁+泡沫輕質(zhì)土”的聯(lián)合處理方案，以保證路基處理滿足使用要求。

5 結(jié)論

（1）采用CFG 樁處理軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降，且樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，拓寬路基表面沉降值越小，選擇12 m 的CFG 樁加固對(duì)于拓寬路基的沉降差異控制效果更優(yōu)。 （2）采用PTC 樁處理軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降，且樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，拓寬路基表面沉降值越小，PTC 樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)為16 m 的處治效果最好。 （3）采用泡沫輕質(zhì)土處理軟土地基時(shí)，可以有效降低新、舊路基表面及新舊路基結(jié)合處的最大沉降值，對(duì)于控制拓寬路基的不均勻沉降效果非常顯著。 （4）綜合來看，該拓寬項(xiàng)目軟土地基采用泡沫輕質(zhì)土處理為更佳方案，處理時(shí)應(yīng)考慮其形態(tài)要求，確保其整體穩(wěn)定性，做好防水設(shè)施，制作過程應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求施工。