抛石挤淤处理软土路基效果及参数敏感性分析

贺暄

摘要：文章以某地区抛石挤淤处理路基为例，采用有限元软件PLAXIS建立模型，对抛石挤淤处理路基效果进行了数值分析，并对路基处理厚度、路基处理宽度、土体的弹性模量和土体的粘聚力等常见的参数敏感性进行了分析，结论如下：采用抛石挤淤处理后，最大沉降值为80.2mm，相比于不作处理时沉降减小了41.0%，各监测点沉降减小百分比基本维持在40%左右，这说明采用抛石挤淤处理能起到较好的控制效果;增加路基处理厚度和处理宽度可以有效减小路基沉降，且增大处理厚度时效果更佳，而改变土体的弹性模量和粘聚力对抛石挤淤处理效果影响甚微。

关键词：路基工程;抛石挤淤;沉降;数值模拟;敏感性分析

0 引言

抛石挤淤作为处理软土路基常用的方法之一，广泛应用在工程实际当中。近年来，国内学者进行了相关的研究，范晓秋、宁建根等人[1，2]以某高速公路工程路基处理为依托，采用PFC颗粒流软件分析了石块粒径、淤泥混砂软土层的淤泥含量、路基自身荷载3种因素对抛石挤淤深度的影响，并计算了抛石挤淤后挤淤层的等效力学参数;高迎伏、陈子龙等人[3，4]针对某高速公路沿海路基特点，为确保路基稳定和减少工后沉降，采用抛石挤淤强夯置换对软基进行处理，并通過现场静载试验、动力触探、瑞利波等方法对加固效果进行了评价;顾卫星、闫澍旺等人[5，6]简述了抛石挤淤处理软基工艺原理，分析了抛石挤淤施工技术的优缺点及其适用范围，并对抛石挤淤在软基处理中的具体应用进行阐述，最后探究了抛石挤淤的质量控制及其安全措施。目前研究大多数倾向于对抛石挤淤处理路基效果的研究，而对相关影响参数的分析研究较少。本文主要以某地区抛石挤淤处理路基为例，采用有限元软件PLAXIS建立模型，对抛石挤淤处理路基效果进行了分析，并对路基处理厚度、路基处理宽度、土体的弹性模量和土体的粘聚力等常见的参数敏感性进行了分析，研究结果可为工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某软土地区公路工程拟采用抛石挤淤法进行软土路基处理，路基宽度设计值为25.0m，高度为4.0m，坡率按照1∶1.5设计，施工时采用分层铺填碾压的方法，每次填筑高度为1.0m。为了分析抛石挤淤法的处理效果，采用数值模拟的方法将模拟结果与工程现场监测结果进行对比分析，再对参数的敏感性进行分析。路基具体尺寸和土体分层在数值建模中具体介绍。

2 数值建模

2.1 网格划分

图1所示为采用有限元软件PLAXIS建立的数值模型图。根据实际工况，路基的宽度取值为25.0m，高度为4.0m，坡率为1∶1.5，施工时采用分层铺填碾压的方法，每次填筑高度为1.0m。为了消除边界的影响，模型底部（即地基）长度取60m，埋深取20m，模型宽度（垂直路基截面方向）取10m。为了提高计算精度，采用含15[JP+1]节点的三角形单元进行计

算，网格单元总数为3246个。表1给出了天然状态下地基土的物理力学参数，其中淤泥土、粉质黏土、黄土三者的本构模型均为摩尔库伦，排水类型均为不排水。表2给出了路基换填后土体的物理力学参数，其中路基填土、抛石淤泥体和改良土本构模型均为摩尔库伦，排水类型均为排水。

3 数值结果分析

3.1 监测数据对比及位移云图分析

为了说明本文模型的准确性，本文将数值模拟结果与监测数据进行对比分析，监测点为路基中心上表面。由图2可知，在前期（0～50d）沉降增长速率较快，之后速率放缓，直至180d前后逐渐趋于平衡。观察图2可以发现，实测数据与数值试验数据较为接近，说明了本文计算模型的准确性和适用性，也为下文分析提供了依据。

路基沉降能在一定程度上反映路基的工程效果。图3所示为未作处理和采用抛石挤淤处理后的路基沉降云图。由图3可知，最大沉降均发生在路基中心区域，对于图3（a），未作处理时最大沉降值为135.8mm;对于图3（b），采用抛石挤淤处理后，最大沉降值为80.2mm，相比于不作处理时沉降减小了41.0%，这说明采用抛石挤淤处理能起到较好的控制效果。

为了更好地对未处理和采用抛石挤淤处理时地基沉降进行对比，在路基表面设置监测点，监测点距路基中心水平距离分别为0m、2m、4m、6m、8m、10m和12m，通过观察表3可以发现处理之后各监测点沉降减小百分比基本维持在40%左右，说明采用抛石挤淤处理地基确实起到了明显的工程效果。

3.2 参数敏感性分析

为了探究影响抛石挤淤处理效果的因素，本节采用控制变量法分别就路基处理厚度h、路基处理宽度d、土体的弹性模量E和土体的粘聚力c作具体分析。

3.2.1 路基处理厚度h

图4所示为不同路基处理厚度对应的监测点沉降曲线，文中监测点均设在路基表面，共计7个。路基处理厚度分别取0m、1m、2m、3m和4m。由图4可知，路基中心的沉降要大于路基两侧，且随着路基处理厚度的增加，沉降值逐渐减小。对于路基中心点，路基处理厚度分别取0m、1m、2m、3m和4m时对应的沉降值分别为13.52cm、11.13cm、9.84cm、8.46cm和7.51cm，相对于处理厚度为0（即不处理时），路基处理厚度取1m、2m、3m和4m时最大沉降分别减小了17.7%、27.2%、37.4%和44.5%，说明增加路基处理厚度可以有效减小路基沉降。

3.2.2 路基处理宽度d

图5所示为不同路基处理宽度对应的监测点沉降曲线，文中监测点布置同上。路基处理宽度分别取0m、1m、2m、3m和4m，处理的起始点为路基中心。由图5可知，路基中心的沉降要大于路基两侧，且随着路基处理宽度的增加，沉降值逐渐减小。对于路基中心点，路基处理宽度分别取0m、1m、2m、3m和4m时对应的沉降值分别为9.21cm、8.82cm、8.26cm、7.73cm和7.30cm，相对于处理宽度为0（即不处理时），路基处理宽度取1m、2m、3m和4m时最大沉降分别减小了4.2%、10.3%、16.1%和20.1%，路基最大沉降值基本随处理宽度的增加线性减小。

3.2.3 土体弹性模量E

图6所示为不同土体弹性模量对应的监测点沉降曲线，监测点布置同上。土体弹性模量分别取30MPa、40MPa、50MPa、60MPa和70MPa，由图6可知，随着土体弹性模量的增加，沉降值有略微减小。对于路基中心点，土体弹性模量分别取30MPa、40MPa、50MPa、60MPa和70MPa时对应的沉降值分别为8.38cm、8.34cm、8.31cm、8.28cm和8.26cm。相对于土体弹性模量取30MPa时，土体弹性模量取40MPa、50MPa、60MPa和70MPa时最大沉降分别减小了0.5%、0.8%、1.2%和1.4%，說明改变土体的弹性模量对抛石挤淤处理效果影响甚微。

3.2.4 土体粘聚力c

图7所示为不同土体的粘聚力对应的监测点沉降曲线，监测点布置同上。土体的粘聚力分别取1kPa、2kPa、3kPa、4kPa和5kPa。由图7可知，随着土体的粘聚力的增加，路基沉降值基本未发生变化，说明改变土体的粘聚力对抛石挤淤处理效果无影响。

4 结语

本文以某地区抛石挤淤处理路基为例，采用有限元软件PLAXIS建立模型，对抛石挤淤处理路基效果进行了分析，并对路基处理厚度、路基处理宽度、土体的弹性模量和土体的粘聚力等常见的参数敏感性进行了分析，结论如下：

（1）通过将实测数据与数值试验数据进行对比，说明了本文计算模型的准确性和适用性。采用抛石挤淤处理后，最大沉降值为80.2mm，相比于不作处理时沉降减小了41.0%，各监测点沉降减小百分比基本维持在40%左右，这说明采用抛石挤淤处理能起到较好的控制效果。

（2）相对于路基处理厚度为0时，路基处理厚度取1m、2m、3m和4m时最大沉降分别减小了17.7%、27.2%、37.4%和44.5%;相对于处理宽度为0时，路基处理宽度取1m、2m、3m和4m时最大沉降分别减小了4.2%、10.3%、16.1%和20.1%。说明增加路基处理厚度和处理宽度可以有效减小路基沉降，且增大处理厚度时效果更佳。

（3）改变土体的弹性模量对抛石挤淤处理效果影响甚微;改变土体的粘聚力对抛石挤淤处理效果无影响。4个影响因素的敏感性排序为处理厚度h>处理宽度d>弹性模量E>粘聚力c。

参考文献：

[1]范晓秋，刘 鑫.基于PFC的软土路基抛石挤淤过程的数值计算研究[J].科技资讯，2018，16（36）：87-90.

[2]宁建根，石振明，高彦斌，等.山区湖区道路抛石挤淤效果及形态研究[J].公路，2014（4）：66-69.

[3]高迎伏，刘晓立.沿海路基抛石挤淤强夯置换处理技术研究[J].中外公路，2010（4）：55-59.

[4]陈子龙.抛石挤淤强夯法在软基处理中的应用与分析[J].铁道标准设计，2010（7）：15-17.

[5]顾卫星.论抛石挤淤在软基处理中的应用以及施工工艺[J].江西建材，2015（22）：121-124.

[6]闫澍旺，陈 静，孙立强，等.抛石挤淤深度的计算方法和模型试验[C].中国土木工程学会第十二届全国土力学及岩土工程学术大会，2015.