软土地层路基工后沉降预测及控制研究

沈卓恒，阮世强

(1.杭州市运河集团，浙江 杭州 310006；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

软土作为一种特殊性基土，在中国沿海地区广泛存在。软土具有高压缩性、低渗透性和低强度等不良工程特性，极易引起软土路基大幅度工后沉降[1]。国内外学者提出了双曲线法、指数曲线法、三点法和Asaoka 法等方法预测软土路基的最终沉降量。崔凯[2]等人提出了将多种预测方法结合的联合预测法，针对不同沉降阶段，采取不同方法进行预测，研究结果表明：联合法对预测扰动较小的软土路基沉降准确率较高。谢宇航[3]等人基于S 型单项预测模型和传统熵值法组合预测模型，提出了复合确权预测模型，在一定程度上提高了路基沉降的预测准确度。刘维正[4]等人结合数值模拟等方法，提出了适合交通荷载下软土路基长期沉降的实用计算方法。

工程中常采用水泥粉煤灰碎石桩(cement flyash gravel，简称为CFG)、预应力混凝土管桩桩网结构、桩筏结构、土工格栅加筋层等方法，控制公路或铁路软土路基工后沉降[5−6]，也可采用酶石灰等新技术，加快软土形成高强度的土质基体。既能保证路基的稳定性，又能减小路基结构层的厚度[7]。作者以某城市软土地层上修建的市政道路工后沉降为依托，通过分析该道路典型剖面的路基实测沉降数据，拟分别采用数值模拟方法和Asaoka 法对路基沉降进行预测，并分析不同填土材料对路基最终沉降量的影响，以期为相关工程提供参考。

1 工程概况

某市堤路合一工程，堤防工程为道路的护岸部分。该市政道路规划等级为城市次干路，路线全长11.554 km。该工程一般路基段某典型剖面钉形水泥土双向搅拌桩横断面布置图，如图1 所示。该处路面宽40.0 m，路堤填土高4.5 m，地下水位于原始地表处，即标高为−4.5 m 处。

场地区域内地层自上而下分布为路堤填土层(埋深0～−4.5 m)，淤泥层(埋深−4.5～−14.0 m)，粉质黏土层(埋深−14～−17 m)，淤泥质土层(埋深−17～−28 m)，砂质黏性土层(埋深−28～−32 m)，全风化砂质泥岩层(埋深−32～−33 m)。为控制工后沉降，软土地层采用钉形水泥土双向搅拌桩加固，空间上采用三角形方式布桩，桩距2.0 m，桩长20.0 m。各桩均采用扩大头桩，桩顶长度4.0 m，内桩径1.0 m，其余部分桩径0.6 m。

2 数值模型

2.1 模型及网格划分

图1 钉形水泥土双向搅拌桩横断面布置(单位：m)Fig.1 The cross section of nail-shaped cement-soil of bidirectional mixing pile (unit:m)

图2 模型范围及网格划分(单位：m)Fig.2 Model scope and mesh (unit: m)

本研究采用平面应变模型进行计算，由于路堤为对称结构，因此，取右半幅进行数值建模，二维有限元模型如图2 所示。地层−33 m 标高以下为中等风化砂质泥岩，物理力学性质较好，可视为模型边界。综合确定模型长(x)、高(y)分别为100 m、33 m，其中路堤部分高4.5 m，路堤边缘按1∶1.5 进行放坡。各岩土层均简化为均匀土层。

根据设计要求，钉形水泥土双向搅拌桩在沿x方向水平间距为2 m，桩沿纵向设置间距为1.7 m，桩长均取20 m。搅拌桩顶往下4 m 内直径为1 m，其余部分直径为0.6 m。桩顶设置一层土工格栅。

模型网格划分共生成4 367 单元，36 854 节点。土体采用15 节点的三角形单元，对每层土体进行较为精细的单元划分。在划分模型网格时，对路堤、坡脚、桩身两侧土体等区域的局部网格进行加密，以保证计算分析结果的精确度。钉形水泥土双向搅拌桩采用嵌岩桩模型进行模拟。经编土工格栅采用土工格栅模型进行模拟。

模型的边界为：两个侧面施加侧向约束，模拟实际情况中，土体边界只发生沉降变形，不发生侧向位移的情况；在模型底面施加固定约束，模拟基岩处实际情况，不发生侧向位移，也不产生竖向沉降变形。

2.2 模型参数

1) 土体参数

淤泥层至砂质黏性土层采用修正剑桥模型(MCC 模型)，轻质混凝土层、路堤填土层和全风化砂质泥岩层采用摩尔−库伦模型(MC 模型)。各层岩土体物理力学参数取值见表1。

2) 土工格栅参数

土工格栅采用土工格栅模型进行模拟。

2.3 施工步骤

考虑施工过程中地下水对施工的影响，具体模拟过程为：

1) 在原有土层中激活桩单元；

2) 激活桩顶土工格栅单元；

3) 激活路基填土，并将位移清零；

4) 在排水条件下，固结至目前阶段，并将位移清零；

5) 分别考虑3 种方案。①维持当前模型设置，固结至沉降稳定状态。②激活路基顶面普通填土和车辆荷载(参考《公路路基设计规范(TGD30−2015)》等效土柱计算方法，车辆荷载取15 kPa)，固结至沉降稳定状态。③ 激活路基顶面轻质混凝土和车辆荷载，固结至沉降稳定状态。

表1 各层岩土体物理力学参数取值表Table 1 Mechanical behavior of each rocks and soils

3 结果分析

3.1 工后沉降分析

1) 有限元模拟计算

图3 地层沉降固结云图Fig.3 The cloud map of subsidence and consolidation of stratum

图4 路面沉降量随时间变化Fig.4 The settlement of pavement with the variation of time

路基填土完成后，经过大约22 a 的沉降固结，路基最大变形约为95 cm，地层沉降固结云图如图3 所示。路面中心处沉降量随时间变化如图4 所示。从图4 可以看出，模拟数据与实测数据吻合较好。工程完工后2 700 d(约7.4 a)，典型剖面路面沉降量为83.86 cm。工后22 a，最终稳定沉降量为89.92 cm，差值为6.06 cm，其沉降固结已完成93.3%。表明：该处路面沉降基本稳定，后期沉降较小。

2) Asaoka 法

Asaoka 法为基于沉降监测数据最终沉降量的预测方法[8]。对于n 个具有相同时间间隔的沉降监测数据组(S1,S2,…,Sn)，将点(Si−1,Si)(i=2,3,…,n)绘于(Si−1,Si)的平面直角坐标系中，并用直线线性拟合，拟合直线与直线Si−1=Si相交的点为预测的最终沉降量。Asaoka 法由于操作简单，被广泛应用于土体长期变形预测。

依据Asaoka 法对典型剖面最终沉降量进行预测，结果如图5 所示。初步预测典型剖面路面的最终沉降值S∞为86.94 cm，与该点最新沉降监测数据(83.86 cm)相差3.08 cm，其沉降固结已完成96.5%。表明：该处路面沉降稳定，后期沉降较小。

图5 典型剖面路面最终沉降量预测Fig.5 The prediction of final settlement of the pavement in characteristic section

3.2 通车后沉降预测

该区段采用普通路基填土材料回填至设计标高，并考虑路面通车后重载交通的影响，再次进行计算，结果如图6 所示。从图6 中可以看出，现有路面沉降基础上，采用普通路基填土材料回填路面至设计标高，即回填83.86 cm。再考虑15 kPa 车辆荷载后，该区段工后沉降为27.98 cm，不满足一般路基工后沉降控制20 cm 内的设计要求。

图6 路面沉降量随时间变化图(普通材料回填)Fig.6 The settlement of pavement with the variation of time(ordinary backfilling material)

3.3 通车后沉降控制

由于采用普通路基填土材料回填至原设计标高，通车后工后沉降不满足一般路基段路面的设计要求，需采取措施减小工后沉降。轻质混凝土容重小，强度较高，可有效降低路基填土荷载。超长循环荷载下，抗疲劳特性好[9]，多用于处理特殊路基。因此，本研究拟用轻质混凝土回填来控制工后沉降。考虑路面重载交通情况下，仅采用轻质混凝土回填至初始设计标高，计算结果如图7 所示。从图7 中可以看出，现有路面沉降基础上，采用轻质混凝土材料回填路面至设计标高，即回填83.86 cm，再考虑15 kPa 车辆荷载后，该区段工后沉降为18.38 cm，满足一般路基工后沉降控制20 cm 内设计要求。

3.4 不同方案及工况下路基沉降量

将Asaoka 法、数值模拟预测的典型剖面软土地层路基的工后沉降数据汇总，见表2。由表2 可知，相比普通路基填土材料，采用轻质混凝土回填路面后路面沉降稳定时，路基工后沉降减小幅度可达34.3%。因此，可以通过填筑轻质混凝土来控制软土地层路基的工后沉降。

图7 路面沉降量随时间变化图(轻质材料回填)Fig.7 The settlement of pavement with the variation of time(lightweight backfilling material)

表2 不同方案及工况下路面沉降量Table 2 The settlement of pavement under different schemes and working conditions

4 结论

1) 典型剖面工后7.4 a 后，路面沉降量为83.86 cm。通过有限元数值模拟结果可知，工后22 a 的最终稳定沉降量为89.92 cm，与当前的沉降量相差6.06 cm，其沉降固结已完成93.3%。而通过Asaoka法预测典型剖面路面最终沉降值为86.94 cm，与当前沉降量相差3.08 cm，其沉降固结已完成96.5%。2 种方法预测结果均表明：在维持现状的情况下，该处路面沉降基本稳定，后期沉降较小。

2) 现有路面沉降基础上，采用普通路基填土材料和轻质混凝土材料分别将路面回填至设计标高，即回填83.86 cm。再考虑15 kPa 车辆荷载后，该区段工后沉降分别为27.98,18.38 cm。采用普通路基填土材料回填不满足一般路基工后沉降控制20 cm内的设计标准。采用轻质混凝土材料相比普通路基填土材料回填路面，工后沉降减小幅度可达34.3%。因此，当软土地层路基发生较大工后沉降时，选用合适的材料回填路基(如轻质混凝土)，可有效减小通车后路基工后沉降。