加载速率及加固措施对寒区湿地软土地基沉降的影响 1)——以国道G111富裕—讷河段A1标段为例

李洪峰 麻健鹏

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

湿地软土具有含水量大、透水性差、强度低、压缩性高等工程特性[1-2]，在湿地软土上修建高速公路等构造物时，如何准确预测沉降及减小沉降量，目前业内没有形成共识。虽然开展了许多软土方面的研究[3-8]，但对湿地软土工程特性的研究较少[9-12]。目前软土地区的公路工程建设中，单纯依靠或借鉴其他地区软土的工程性质，分析预测某地区的沉降，类似的做法较为普遍；这样的做法，理论依据不足、工程质量难以保障。

本文从湿地软土的工程特性入手，对国道G111富裕—讷河段A1标段的土体及沉降进行现场监测，使用Plaxis有限元分析软件对监测数据进行分析，计算拟合软土地基沉降规律；选择常用的换填法、挤密碎石桩法、土工格栅配合塑料排水板法3种地基处理方式[13]，并分别配合3种不同的分层填筑高度进行模拟(①2.0、1.0、0.5、0.5 m/d；②1.6、2.0、0.2、0.2 m/d；③1.8、1.2、0.6、0.4 m/d)，共9种方案，对9种湿地软土处理效果进行了对比分析，探索该地质情况下处理软土地基的最佳方法及沉降预测方法。旨在为寒区湿地软土公路施工提供参考。

1 试验地概况

试验地为国道G111富裕—讷河段A1标段。位于黑龙江省嫩江、乌裕尔河、讷莫尔河冲积平原，东经122°～126°、北纬45°～48°。该地区属于中温带大陆性季风气候，年平均气温4 ℃，温差变化较大；地下水类型为孔隙水，略具承压性；含水层为细砂、砾石、圆砾，透水性强，平均渗透系数180 m/d。试验地岩土层类型见表1、寒区湿地2层原状土物理力学性质见表2。

2 研究方法

2.1 数据观测

选择试验地1个断面进行现场观测，埋设了分层沉降管、测斜管、孔隙水压力测头(见图1)。

试验路段设计采用袋装砂井配合土工格栅处理软土地基，袋装砂井直径10 cm，等边三角形布置，间距为1.0 m，处理的软土厚度6 m以内。排水垫层采用透水性较好的天然砂砾，设计排水砂垫层厚度为1.5 m，土的粒径以粗颗粒为主，泥的质量分数(含泥量)小于1%。路堤采用分级填筑的方式(见表3)。

表1 试验段岩土层类型

表2 寒区湿地2层原状土物理力学性质

注：w为含水率；Gs为土粒相对密度；wp为塑限；wl为液限；Il为液性指数；e为孔隙比；ρ为密度；Sr为土体饱和度；α1-2为压缩系数；Es1-2为压缩模量；c为黏聚力；φ为内摩擦角。

ZK1、ZK2、ZK3分别为钻孔1、2、3位置埋设的分层沉降管；数字为高程数字(单位为m)，对应位置为沉降环、孔隙水压力探头、土层分界所在高程。

填筑时间/d填筑高度/m静置时间/d路堤高度/m11.61771.612.0573.610.2383.810.2344.0

本次试验段施工过程中的沉降数据监测频率，按照每次填筑完成后观测1次，若某2次填筑间隔时间略长，则每3 d观测1次。路堤堆载预压期间或冬歇期间，根据地基稳定情况调整观测频率，为15 d或30 d观测1次。孔隙水压力，按照每层填筑完成后，每隔1 h观测1次，并持续2～3 d[14]。按照上述观测方法，对试验路段1号(ZK1)、2号(ZK2)分层沉降管的沉降进行观测记录(见表4、表5)。

由表4、表5可见：位于中央分隔带处的ZK2沉降管的沉降量，大于路肩处ZK1沉降管的沉降量；中央分隔带处软土地基在填筑的过程中的沉降速率，比路肩处软土地基的沉降速率快；原因是中央分隔带处有砂性土的透镜体，加速了软土地基的排水固结。但由于路肩处软土层比中央分隔带出的软土层厚，所以中央分隔带处软土地基的沉降量比路肩处沉降量小。

表4 ZK1分层沉降管沉降量的观测数据

注：沉降环编号自上而下为1～6。

表5 ZK2分层沉降管沉降量的观测数据

注：沉降环编号自上而下为1～6。

2.2 Plaxis有限元模型

2.2.1 数值模型

根据试验路段的实际情况，路堤分层填筑过程划分为4个阶段，第一阶段填土高度1.6 m、第二阶段填土高度为2.0 m、第三阶段填土高度为0.2 m、第四阶段填土高度为0.2 m。路堤填土横断面的几何尺寸：填土封顶层宽24 m、底面宽36 m、边坡坡度1.0∶1.5、间距100 cm，砂井直径7 cm，塑料排水板宽10.0 cm、厚0.4 mm。整个路堤填土高度4 m。采用高精度的15节点三角形单元划分网格。边界采用标准固定边界，在模型底部施加完全固定约束，水平和竖直向位移为零；在两侧竖直施加滑动约束，水平向位移为零，竖直向自由。为了减少边界条件对计算结果的影响，参照文献[15]，地基土横向宽度取200 m，竖向深度根据地质资料取20 m，计算采用轴对称模型，选用15节点三角形单元。计算的几何模型、边界条件的选取、单元网格的划分见图2。

图2 单元网格的划分及边界条件的选取

在Plaxis有限元模型中，地基土层从下往上依次为：①圆砺；②细砂夹层；③粉质黏土；④腐植黏土。路基填土由下向上依次为：①换填砂砾；②粉质细砂。各土层及路堤填土、垫层的本构模型，均选择Mohr-Coulomb模型。根据勘察资料提供的试验数据及相关文献中类似模型对各类土体及碎石的赋值，选取的参数值见表6、表7。

土工格栅铺设在粉质细砂与砂砾之间，土工格栅为钢塑格栅，型号为GSZ40-40，每延米极限抗拉力为40 kN/m。其接触面参数：切向刚度(K1)=7 106 kN/m3；法向刚度(kn)=108 kN/m3；剪胀角(δ)=40°；黏聚力(c)=61.51 kPa；破坏比(Rf)=0.83。

表6 土体及碎石材料参数

注：γ为土体重度；c为黏聚力；φ为内摩擦角；K0为静止侧压力系数；E为弹性模量；μ为泊松比。

表7 软土计算参数

注：c为黏聚力；φ为内摩擦角；E为弹性模量。

2.2.2 模型验证

根据现场实测的沉降量与有限元计算值进行对比分析发现(见表8)，路堤中央分隔带及路肩处的沉降量，在路堤填筑过程中的变化趋势基本一致；静止放置180 d左右后，土体在自重应力下自然沉降；在完成第二阶段填土后，自重应力进一步增大，沉降速率加快；第三阶段及第四阶段填土，由于填土厚度不大，沉降增速趋于平缓。

表8 分层沉降管沉降量的有限元数值模拟与实测值对比

路堤坡脚处不同深度的水平位移的实测值与有限元计算结果变化趋势一致；软土地基的侧向位移，随着荷载和软土的厚度增加而增大，最大侧向位移的位置是随着荷载和软土层的厚度的增加具有逐渐加深的趋势。

综上所述，该模型的材料参数与几何模型，可以用于分析相同地质情况下不同地基处理方式的计算中。

2.3 软基处置方案

在本文建立的有限元模型基础上，模拟路堤堆载至设计填高4 m。为了分析该地质条件下不同地基加固方法及不同分层填筑高度对地基沉降的影响，选择换填法、挤密碎石桩法、塑料排水板配置土工格栅法对该地质情况的软基进行加固，并选择3种不同的分层填筑高度(①2.0、1.0、0.5、0.5 m/d；②1.6、2.0、0.2、0.2 m/d；③1.8、1.2、0.6、0.4 m/d)，两两正交，模拟出9种方案。在模拟过程中，仅按方案改变地基加固方法及加载速率，其余条件均保持不变。

采用换填法时，按照换填垫层厚度为2.5 m、宽度18.0 m建立模型(见图3)。采用挤密碎石桩时，按照桩长3.00 m、间距0.54 m、桩径0.50 m建立模型(见图4)。采用塑料排水板配合土工格栅法时，按照塑料排水板间距1 m建立模型(见图5)。上述3种方法的材料参数均与表6相同。

图3 换填法有限单元模型

图4 挤密碎石桩法有限单元模型

图5 塑料排水板法配合土工格栅有限单元模型

3 地基沉降模拟分析

表9、表10为采用以上9种方案进行地基处理后，坡脚随施工进程的路堤中心及路肩随施工进程的沉降数据及水平位移数据。采用塑料排水板配合土工格栅方法处理地基，在每一级荷载作用下沉降量均较大，其次是挤密碎石桩法。塑料排水板配合土工格栅法，在每级荷载作用下沉降稳定的速度较快，加固原理是加速软土地基在加固期间的固结，地基在施工期间就完成大部分的沉降，减少了工后沉降。挤密碎石桩法是在软土地基中打入碎石桩，软土中的水被碎石挤出，达到软土固结硬化对的效果[16]。换填法，是将浅层的软土换成压缩量较小的土体，由于软土下的地基土承载力较大，所以整体的沉降相对较小。不同加载速率，也引起土体产生不同的水平位移，对土体的沉降产生影响[17]；在初次加载2 m时，土体虽然自重较大，但土体不容易充分压实，所以其沉降量相比1.8 m较小，故加载速率需要控制在保证土体能够足够压实的范围内。

4 结束语

依托国道G111富裕—讷河段A1标段的路堤施工，采用有限单元分析的方法，对3种地基加固方法及3种加载速率进行数值模拟分析，通过对比得出了9种情况下地基沉降的差异及相似土体情况的最优处理方式。

Plaxis有限元软件可以应用于复杂的岩土工程的数值模拟中。本文模拟了9种不同情况的施工方案，Plaxis有限元软件应用方便快捷，对本文所需要的本构模型已在软件中得到实现，且都能准确的得出计算结果,对于该地质情况的湿地软土，不同加载速率对工期沉降影响较大。根据Plaxis有限元软件得出的沉降数据可以得出，第一次加载速率需要控制在1.8～2.0 m/d，工期总体沉降较大。

表9 软基处理方案沉降模拟值

表10 软基处理方案水平位移模拟值

注：水平位移向道路以外方向为正，相反为负用“-”表示。

对于该地质情况下的湿地软土，塑料排水板配合土工格栅方法进行软基加固产生的工期沉降最大，工后沉降最小。通过有限元软件Plaxis模拟结果与已有工程实测数据拟合，在确定模拟过程中的参数可行的前提下，针对9种方案进行模拟，塑料排水板配合土工格栅法处理该地质条件下的软土地基，工期沉降最大，工后沉降最小。

[1] 王敏，吴超.软土地基处理的固结度与沉降分析[J].工程建设与设计，2016(6)：67-68.

[2] 李丽华，陈轮，高盛焱.沼泽土物理力学性质和微观结构的研究[J].工业建筑，2008，38(10)：61-64，89.

[3] 周焕云，黄晓明.高速公路软土地基沉降预测方法综述[J].交通运输工程学报，2002，2(4)：7-10.

[4] 程培峰，姜海洋，刘红军.寒区湿地软土固结变形特性试验研究[J].自然灾害学报，2007，16(2)：82-85.

[5] 李丽华，陈轮，高盛焱.翠湖湿地软土触变性试验研究[J].岩土力学，2010，31(3)：765-768.

[6] 张秀成，王义重，傅旭东.不同应力路径下某高速公路路基黏性土湿化变形试验研究[J].岩土力学，2010，31(6)：1791-1796.

[7] 田利川.衡水沉降区不同深度黏土固结特性研究[J].南水北调与水利科技，2010，8(2)：31-34.

[8] ZHANG C L， CUI Z D. Numerical simulation of dynamic response around shield tunnel in the soft soil area[J]. Marine Georesources & Geotechnology，2017，35(7)：1018-1027.

[9] LIN D F， LUO H L， HSIAO D H， et al. Enhancing soft subgrade soil with a sewage sludge ash/cement mixture and nano-silicon dioxide[J]. Environment Earth Sciences，2016，75：1-11.

[10] CHEN Z F， ZHU H H， YAN Z G， et al. Experimental study on physical properties of soft soil after high temperature exposure[J]. Engineering Geology，2016，204：14-22.

[11] BO M W， WONG K S， CHOA V， et al. Step loading compression of ultra-soft soil under radial drainage conditions[J]. Marine Georesources & Geotechnology，2016，34：648-658.

[12] ETEZAD M， HANNA A M， ASCE F， et al. Bearing capacity of a group of stone columns in soft soil[J]. International Journal of Geomechanics，2015，15(2).https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000393.

[13] 潘瑞春，黄瑞章，周新年，等.道路工程软土地基处理方案选择研究进展[J].公路交通科技(应用技术版)，2012(10)：23-26.

[14] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.公路软土地基路堤设计与施工技术细则：JTG/TD 31-02—2013[S].北京：人民交通出版社，2013.

[15] 刘红军.寒区湿地软土地基固结沉降与稳定性研究[D].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2007.

[16] 刘人瑜，李兴庆，徐超.楚南一级公路软基处置方案有限元分析[J].公路，2016(3)：37-42.

[17] 李洪峰.季冻区高等级公路加宽对路基变形影响研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.