市政道路工程软土地基处理技术分析

叶妙宝

（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，合肥230051）

1 引言

随着我国经济水平的发展和基础交通设施的不断完善，城市道路的建设步伐也日益加快，同时对道路质量控制也更加严格。在城市道路建设中，往往不可避免地会遇到软土加固问题。相比于一般路段而言，软土地基具有含水量高、抗剪强度低、压缩性大等特点【1】。如果地基处理方案设计不合理，往往会引起设计返工、设计质量下降、工期推迟等问题，严重的可能造成重大人员伤亡和经济损失。目前，国内外学者也针对市政道路软土地基处理展开了一些研究，如刘光明【2】结合城市道路工程案例，归纳了软土地基道路常规处置方法，并利用室内模型试验研究了软土地基换填处理后的沉降变形规律、影响因素等；刘小高等【3】提出了“多元复合地基”的概念，并以福建平潭市政道路为研究对象，采用泥搅拌桩-CFG 桩耦合处理方法，不仅能确保地基沉降符合规范要求，还大大节约了地基处理造价；吴王刚等【4】以成都天府国际机场为工程依托，选择双曲线法和指数法对其试验段监测点数据开展沉降量预测，并认为双曲线法预测精度较高，指数曲线法不宜用于长时间序列沉降分析。因此，研究城市道路软土地基处理技术具有十分重要的工程意义。

2 工程概况及地基处理方案选择

2.1 依托项目简介

本文以安徽某城市快速路为研究对象，对软土地基的处理沉降分析展开研究，该道路全场18.7km（含1 处互通立交），路线起讫桩号为ZK6+000～ZK24+700，设计标准是双向6 车道，路基宽度为48m，设计速度为100km/h，路拱横坡为2%，最大纵坡为0.6%，路面结构采用透水型沥青混凝土，其标准横断面布置形式为：3.5m（人行道）+5.5m（非机动车道）+1.5m（两侧分车带）+11.5m（机动车道）+4m（中央分车带）+11.5m（机动车道）+1.5m（两侧分车带）+5.5m（非机动车道)+3.5m（人行道）。

该道路工程沿线的特殊性岩土主要为软土、填土、可溶性岩石等，其中软弱土深度较大，以淤泥、淤泥质土，有机质土，软塑～流塑状态黏性土及松散～稍密状态的大面积人工填筑土及松散状态粉细砂次之，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、透水性差、灵敏度高、承载力低等特点。同时，软土地基承载力不满足路基填筑要求，需要进行处理。

2.2 软土地基处治措施确定

2.2.1 软土地基沉降原理

如果城市道路建设期间遇到软土地基处理不当，路基填筑后可能导致地基出现较大沉降。在路基填土作用下，软土地基沉降一般分为初始沉降、固结沉降和次固结沉降3个阶段【5】。此时，软土地基的总沉降变形计算如式（1）：

式中，Sd为初始沉降；Ss为固结沉降；Sc为次固结沉降。

在外荷载作用下软土地基的3 种变形模式皆有可能出现，其中，固结沉降是软土地基沉降变形的主体组成部分，一般是因为软土地基土颗粒在外荷载作用下孔隙压缩，孔隙水被排出导致土体体积压缩变形。

2.2.2 地基处理技术选择

目前，城市道路软土地基处理常用方法主要有换填、强夯、抛石挤淤、真空预压、水泥搅拌桩、碎石桩等方法，各种软土地基的处理方法特点见表1。

表1 软土地基处理方法特点对比

在进行城市道路软基地基处理方法选择时主要考虑地基状况、道路功能及等级、施工条件以及工程造价等因素【6】。鉴于此，该城市道路软土地基处理措施：如果地基软土深度小于3m，对一般路段将基底软土全部清除，换填透水性好的碎（砾）石土。如果软土路段存在积水，应当先设置临时围堰，排干围堰积水后再处理软基；如果地基软土深度超过15m，采用CFG桩复合地基进行处理。

3 CFG桩复合地基设计及有限元模型建立

3.1 CFG桩几何参数确定

3.1.1 桩径、桩间距确定

查阅相关规范得到，CFG 桩的桩径宜选择在350～600mm。根据相关研究成果可知【7】：如果CFG 桩的桩径过小会对控制质量产生一定程度的不利影响；CFG 桩的桩径过大会导致工程造价高，且无法确保桩土协调，故将CFG 桩桩径定为450mm。

在其他控制因素均相同时，随着桩间距的减小，CFG 桩承载性能会不断改善。如果桩间距小于3 倍桩径时，CFG 桩承载力的增长速率可能出现一定程度的降低。因此，通过综合考虑CFG 桩承载力、施工工艺、工程造价等因素，确定CFG 桩按照正三角形布置、桩间距为4 倍桩径大小，即桩间距取1.8m。

3.1.2 面积置换率估算

CFG 桩土复合地基的面积置换率是指竖向增强体的横断面积与其所承担的复合地基面积的比值，可通过式（2）来计算：

式中，d 为桩的直径，m，de为桩的等效直径，m。

代入数据可得，该项目CFG 桩的面积置换率为0.045。

3.2 CFG桩路基有限元计算模型建立

在岩土工程领域，岩土应力-应变关系是高度非线性的，且存在土体和结构相互耦合问题，传统的计算方法无法真实反映地基的受力变形状态。由于软土地基沉降以固结沉降为主，初始沉降和次固结沉降可忽略不计，故笔者以桩号ZK6+378 典型断面路基（软土地基平均厚度大于15m）为研究对象，利用有限元软件PLAXIS8.0 建立路基模型，对地基处理前后的路基固结沉降变形规律及影响因素进行了分析。

3.2.1 PLAXIS8.0 软件功能简介

PLAXI8.0 是由荷兰PLAXIS B.V. 公司研发的一款通用岩土有限元计算软件，已广泛应用于板桩码头应力变形分析、软土地基固结排水分析、基坑降水渗流分析、边坡开挖及加固后稳定性分析等领域。PLAXIS8.0 内置多种岩土构模型，能够模拟土体、岩石等材料的受力变形特性，具有功能全面、计算高效等优势。其求解流程一般如下：建立几何模型→材料参数输入和单元属性定义→网格划分→设定边界条件→计算→结果分析。

3.2.2 模型参数确定

根据该城市快速路软土地基的岩土勘察报告将该段路基土体共分为2 层，从上至下分别是粉质黏土、软土，各土层的物理力学参数如表2 所示。

表2 软土地基各土层物理力学参数

PLAXI8.0 中的板单元能够模拟沿z 方向延伸的挡土墙、板、壳体等，其最关键参数是抗弯刚度EI 和轴向刚度EA【8】。笔者用板单元来模拟地层中的CFG 桩，EI 和EA 分别取6×104kPa/m2，2.8×106kN/m。

3.2.3 有限元模型网格划分

有限元网格划分是影响结构的计算精度和计算规模关键因素之一，路基和地基土模型均采用2D 实体单元。该单元为6节点四面体单元，精度高，其中路堤网格大小为0.1m，地基土网格网格大小为0.5m，共划分出3874个，节点4638个。地基土及路基网格划分情况见图1。

图1 软土地基有限元模型及网格划分

在利用PLAXIS8.0 计算时，软土地基计算沉降采用的本构关系是摩尔-库伦屈服准则【9】，并做出以下假设：（1）由于路基横断面的对称性，建立模型取半幅路基；（2）路基模型的左右边界采用水平约束，底部边界采用完全约束；（3）地下水位较低，忽略其影响；（4）CFG 桩和土体之间的接触选择Interface Element 单元模拟。

4 软土地基处理前后计算结果分析

4.1 地基孔隙水压力分析

PLAXIS8.0 计算得到的未处理和CFG 处理后的软土地基空隙水压力大小如图2 所示，其中，“＋”符号表示空隙水压力，“＋”的密度越大，地基土的空隙水压力越大。计算结果表明：未处理的软土地基，空隙水压力分布较为集中，孔隙水压力较大；CFG 桩处理软土地基后，空隙水压力的分布比较分散，孔隙水压力较小。同时，CFG 桩处理后，复合地基体缝隙增加，能充分发挥其渗透性，并加快软土地基固结速度，从而确保路基固结沉降在施工期间完成，减小路基工后沉降。

图2 CFG桩处理后软土地基孔隙水压力

4.2 路基沉降分析

利用PLAXIS8.0 软件计算软土地基沉降时，在距离路基中心不同位置选择6个监测点对其沉降进行了监测，得到了软土地基处理前后沉降变形趋势见图3。

图3 软土地基处理前后沉降变形规律

由图3 可知，软土地基经CFG 桩处理后，沉降量有明显减小。路基填筑完成后，地基处理前后中心单元沉降平均值分别为80.2mm 和61.3mm。随着监测点距路基中心距离的增加，其沉降量逐渐减小，且减小速率呈增大趋势。这表明软土地基经CFG 桩处理后承载能力得到增加，并提高了地基的整体稳定性，使地基土在相同荷载作用下沉降量不断减小。

与此同时，该城市道路项目地基中心沉降实测数据沉降为83.04mm，与数值模拟数据基本误差在工程允许范围内，可知用PLAXIS8.0 软件来计算软土地基沉降是可行的。

5 结语

本文以安徽某城市快速路桩号ZK6+378 典型断面软土地基为研究对象，利用有限元软件PLAXIS8.0 软件对软土地基CFG 桩复合地基设计、沉降机理及规律等方面展开了研究。主要得到以下结论：

1）城市道路软土地基处理方法主要有换填、强夯、抛石挤淤、真空预压、CFG 桩等，在选择时要综合考虑其适用范围、处治深度、道路性质、施工条件等因素。

2）PLAXIS8.0 计算软土地基沉降流程为：建立几何模型→材料参数输入和单元属性定义→网格划分→设定边界条件→计算→结果分析。

3）CFG 桩处理软土地基后，空隙水压力不断降低，并能充分发挥桩土复合地基的渗透性，加快软土地基固结速度，减小路基工后沉降。

4）软土地基经CFG 桩处理后承载能力得到增加，使地基土在相同荷载作用沉降量不断减小。且距路基中心越近，地基沉降量越大。