软土硬壳层地基上路基的处理方式作用效果分析

张志伟

（山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点试验室，山西 太原 030006）

软土表层在降雨、日晒、化学风化等因素的作用下，通常会形成一层几米厚的硬壳层，硬壳层含水量和孔隙率较小，变形模量和地基承载力较大。当公路穿越软土硬壳层地区且路基填土较低时，可以直接在软土硬壳层地基上填筑路基。

在硬壳层上直接填筑的路基，必须充分考虑软土的固结，控制路基的工后不均匀沉降。如果软土地基不经处理而在其上直接填筑路基，需要一定的理论支撑，必须保证地基的稳定性，选择恰当的地基处理方式，对于减少工程造价提高工作效率有很大帮助。

堆载预压和反压护道是两种常见的地基处理方式，本文借助有限元软件对两种地基处理方式进行模拟，分析两种地基处理方式的作用效果（图1）。

图1 有限元模拟

1 堆载预压

堆载预压的目的是加速地基内孔隙水的排除使土体固结，通常是用土、砂等重物对地基施加预压荷载[1]。

堆载预压必须考虑地基的稳定性，通常认为地基竖向变形每天不超过10 mm，地基侧向变形每天不超过4 mm，因此预压填土一般采用分级加载，并进行竖向变形、孔隙水压力观测。

路基顶面的不均匀沉降直接影响路面质量，试验段观测数据显示：经堆载预压处理后，路堤顶面的不均匀沉降明显变小。为了进一步分析堆载预压对地基工后沉降的影响，用ABAQUS有限元软件模拟施工现场。

图2 堆载预压与直接填筑路基路堤顶面工后沉降比较

从图2可以看出，有预压路堤顶面不均匀沉降明显小于无预压的路堤顶面沉降，预压有利于减小路面工后不均匀沉降。但是如果预压填土过高，硬壳层底面会产生拉应力，将破坏硬壳层稳定性，如图3，不同填土高度时，硬壳层与软土交界面上最大主应力变化情况，可以看出，当填土高度超过2 m，硬壳层底面将出现拉应力。图4为预压土卸载后，地基的竖向位移变化，可以看出预压土加速了软土的固结，预压期内，排水固结基本完成。

图3 填土高度对硬壳层内最大主应力影响

图4 地基与路堤顶面随时间位移变化

以上分析可知，在硬壳层上直接填筑路基时，地基通过堆载预压处理后，软土固结基本完成，可以减小地基工后沉降，但是必须考虑到硬壳层的整体性，预压土不能太高，当路基填土较低且工期较长时，可以考虑堆载预压。

2 反压护道

反压护道就是在路堤两侧填筑一定高度和宽度土体，能有效防止地基的剪切，使路堤下的软基向两侧隆起的趋势得到平衡。采用反压护道加固地基，施工简易方便，但是用地多，用土多。为了进一步分析反压护道对地基稳定性和沉降的影响，用ABAQUS有限元软件模拟施工现场。

a）在硬壳层上直接填筑的路基，反压护道并未加大地基的总沉降（图5），这是因为硬壳层的板体效应发挥了充分作用，反压护道还可以减小路堤顶面的不均匀沉降（图6）。

图5 反压护道对地基总沉降量的影响

图6 反压护道对路堤顶面工后沉降的影响

b）从图7、图8、图9、图10可以看出，反压护道改变了软土地基中的应力分布，提高了路堤填土的临界高度。

图7 无反压护道填土高度对硬壳层内最大主应力影响

图8 反压护道2.6 m时填土高度对硬壳层内最大主应力影响

图9 反压护道1.6 m时填土高度对硬壳层内最大主应力影响

图10 反压护道1.1 m时填土高度对硬壳层内最大主应力影响

图11 硬壳层内最大主应力随反压护道高度变化

从图11可以看出，反压护道过低（1 m）时，其对硬壳层内应力分布影响较小，反压护道过高（2.5 m）时，其对硬壳层内应力影响过大，只有当反压护道高度适中时，才能使硬壳层内应力分布均匀，能够填筑更高的路基。因此，填筑前须确定反压护道最佳高度。

3 结论

a）在硬壳层上直接填筑路基时，地基通过堆载预压处理后，软土固结基本完成，可以减小地基工后沉降，但是必须考虑到硬壳层的整体性，预压土不能太高，当路基填土较低且工期较长时，可以考虑堆载预压。

b）反压护道过低时，其对硬壳层内应力分布影响较小，反压护道过高时，其对硬壳层内应力影响过大，只有当反压护道高度适中时，才能使硬壳层内应力分布均匀，能够填筑更高的路基。因此，填筑前须确定反压护道最佳高度。