围堰换填法在东非沼泽区公路软基处理中的应用

李金成 熊排良 刘 光 易正红 武 林

(1.武汉理工大学交通学院 武汉 430063; 2.中交第一公路工程局集团有限公司 北京 100024)

随着“一带一路”战略的推进与深入，中国在非洲各国的公路建设项目越来越多。东非地区常见的沼泽区软弱地基处理是当地公路建设的难题之一。东非沼泽区地基土含水率高，承载力弱，容易对路基稳定性产生不良影响，严重时还会造成公路不均匀沉降和路面开裂[1]。因此，对沼泽地区软基进行合理处治，是保证路基稳定性、维持公路正常使用功能的必要手段。

国内外许多专家学者对软弱地基处理进行了研究，王福胜[2]进行了袋装砂井法软基处理可行性分析，研究显示挤实砂桩能有效加速地基土固结，减少施工后沉降。Chow[3]提出了一种挤密砂桩改善地基沉降的简化理论分析方法，并验证了该简化方法的准确性。张志耕[4]研究了碎石桩法在高原地区湿地软基处理中的应用，结果表明碎石桩可以加快地基排水过程，增强地基承载力和基础抗液化的能力。黄桂兰[5]探讨了强夯法在软基处理中的可行性，得出了强夯法能代替堆载土加速软基排水固结的结论。吴明玉[6]提出采用超轻材料桩复合地基处理软基，结果表明超轻材料桩复合地基具有平缓的地表沉降和良好的工作状态，因此处理软土地基效果较好。Liu等[7]研究了高速旋喷法进行软基处理的计算模型，并验证了模型的准确性。段吉兵[8]对比研究了公路高路堤下的挖除换填法和抛石挤淤法的可行性，通过观测沉降和侧向位移，发现挖除换填法更具可行性。Saleh等[9]提出了采用聚氨酯化学灌浆提高软土地基强度的方案，并通过实例验证了该方法具有较好的可行性。

虽然国内外已有大量关于软基处理方法的相关研究，但对于永久沼泽这种特殊软基处理的相关研究较少，一般的处理方法对沼泽区软基处治难以奏效。针对这种情况，本文以乌干达某沼泽区公路软基处理为工程背景，对东非永久沼泽区采用先围堰再换填的软基处理方法进行探索与实践，并通过理论分析与数值模拟，探讨围堰换填法处治沼泽区软基的可行性和有效性。

1 工程概况

乌干达Kampala-Entebbe机场高速公路(以下简称KE高速)是连接乌干达首都Kampala和Entebbe国际机场的高速公路，也是该国第一条收费高速公路。主线全长37.23 km，支线连接维多利亚湖度假村，长为12.947 km。

该项目工程地质情况复杂，途经多处湿地或沼泽，其中沼泽可分为季节性沼泽和常年性沼泽。沼泽区软基处理的常见方法一般有：换填法、抛石挤淤法、预压法及碎石桩法[10]。根据工程实际情况，季节性沼泽一般可用换填法和抛石挤淤法进行软基处理[11]。永久性沼泽常年积水，植被丰富，表层土以淤泥质土和淤泥质黏土为主，土壤地质条件复杂，采用常用的软基处理方法往往不能满足规范对地基沉降值的要求。为了解决永久沼泽区软基处理问题，提出了在换填法的基础上，先利用围堰隔绝附近积水，再换填围堰内软土，以提高地基承载能力的围堰换填法。由于普通换填法和抛石挤淤法出现时间较早，已经有许多专家学者做过相关研究[12]，其施工工艺与分析理论都较成熟。因此，本文针对围堰换填法在处理东非乌干达地区永久性沼泽区的有效性和可行性进行探究。所选研究路段的路基横断面见图1。

图1 路基横断面图(单位：cm)

2 围堰换填法施工工艺

围堰原本是为了阻止水或者土进入施工位置而修建的临时性的支护结构。换填法是将基础地面以下一定范围的软弱土层置换成适合作为路基的土体的过程。围堰换填法是在换填法基础上增加修筑土制围堰、抽水清淤和抛石填筑过程的地基处理方法，其原理是先将路基换填区域与周围水域采用围堰隔离，然后再对路基区域进行抽水换填。其施工流程见图2。

图2 围堰换算流程图

为保证围堰换填法的施工质量，需进行2项工程测试：①在完成抛石挤淤步骤后，需要确保路堤基底片石压实度不小于90%。对不达标的路段需要重新换填适宜性材料进行碾压，直到达到要求；②对路堤利用机器碾压完成后，须对路基进行加载预压，预压过程须对路基顶部沉降进行跟踪监测，对沉降量过大，不符合设计沉降限制的路段进行特别处理。处理方式包括重新开挖后对基底进行常规方式重新处理和在沉降过大路段内钻孔灌注水泥浆等。

在围堰和路基修筑完成后，为了避免围堰与路堤之间在降雨时变成沟渠，影响路堤坡脚稳定性，需在围堰与路堤之间填筑土料。实施围堰换填后，路基横断面图见图3。

图3 围堰换填法处理后路基横断面图

底部石料抛石层采用尺寸30～50 cm的块石置换软泥，块石顶部撒布级配碎石填隙，地面以上的填土则采用加州承载比大于7%的红土粒料。围堰和路堤之间的填土不仅有助于路面排水，而且还保护了路堤边坡，大大提高了路堤稳定性。因此，采用围堰换填法对沼泽区软基进行处理，使路基稳定性得到了很好的保证，不再需要专门的护坡。由于增加了围堰填筑和土料填充等过程，围堰换填法进行软基处理与一般换填法相比，路基所承受的荷载更大，因而要特别注意控制路基的工后沉降。

3 路基沉降分析

路基沉降由路堤沉降和路堤下软土地基沉降组合形成。公路路堤填土为工程性质较好的土料，路堤沉降主要发生在施工阶段，表现为瞬时沉降，其沉降值可以通过填筑时的分层压实和现场监控路堤标高及时补料而得到较好的控制，路堤整体平均压实度可以达到95%以上[13]。所以在计算公路路基工后沉降时主要考虑路堤下的软土地基沉降。

3.1 计算理论

基于分层总和法[14]利用压缩模量法计算的地基主固结沉降Sc计算方法见式(1)。

(1)

式中：Δpi为地基各分层中点的附加应力，kPa；Esi为地基各分层中点的压缩模量，kPa，一般由室内压缩实验得到;Δhi为地基各分层土的厚度，m。

由于路堤对地基荷载沿路线长度方向的分布规律是不变的，因此，可看作是平面问题求解，根据弹性理论，地基土受到无限分布的均布线荷载p时，地面以下深度z处附加应力计算方法见式(2)。

(2)

式中：x为离无限均布线荷载的垂直方向距离，m。

路堤宽度方向线荷载分布可通过路堤横断面形状和填土重度求得，在此基础上，只需对σz沿路堤宽度方向积分即能求出地基土中任意一点的有效应力。围堰换填法还需在地表上填筑围堰和填充土料，因此，计算附加应力时应同时考虑围堰填土和填充土料的影响。

地基最终沉降S∞计算方法见式(3)

S∞=msSc

(3)

式中：ms为沉降系数，其与地基条件和荷载加载情况有关，一般由现场沉降观测资料确定，也可以根据经验公式(4)[15]取值。

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

(4)

式中：H为路堤中心高度；γ为路堤填料的重度；θ为地基处理类型系数；V为加载速度修正系数；Y为地质因素修正系数。

3.2 工程计算分析

乌干达KE项目在桩号K1+250-K1+300处是典型的永久性沼泽区域，表面生长有高度超过2.0 m的植被，下部由植被根系及植被腐殖物构成，水深约90 cm，无明显径流。根据地质勘探资料，地表下土层分布及路基横断面见图4。

注：h为厚度，m；γi为土重度，kN/m3；Es为压缩模量，MPa。

路堤顶宽26 m，边坡坡度为1∶1.5，路面横坡为2.5 %；围堰顶宽7 m，边坡坡度为1∶1.5，围堰顶部与填充土料表面有4%横坡，利于排水。围堰换填法进行软基处理过程中，地表下100 cm厚度范围用块石置换了软泥，由于块石几乎无法压缩，因此分层沉降计算将从地下100 cm深度处开始。表1为用分层总和法计算的路堤中点处土层①和土层②的地基最终沉降。

表1 分层总和法计算路堤底部中点地基最终沉降

压缩层深度一般按该点土层附加应力等于自重应力的1/5来确定[16]，通过计算，最终取压缩层深度为22.45 m，图5为压缩层计算深度与计算的地基最终沉降的关系。

图5 压缩层计算深度与计算的地基最终沉降的值

路堤底面中点处地基最终沉降等于各分层土沉降总和，S∞=ms∑Sci=280.6 mm，围堰换填法处理的路基总沉降应为软基沉降与路堤沉降之和，此处仅为软基沉降值，因此还需计算路堤沉降。路堤沉降计算则可参考张占荣等[17]提出的考虑路堤填筑前后顺序的修正分层总和法，计算出的路堤沉降值理论值为11.6 mm，最终分层总和法计算的路基总沉降为S0=280.6+11.6=292.2 mm。根据现场监测资料，已知路基施工期沉降Scp=50 mm，则可以计算路基工后沉降Sp=S0-Scp=242.2 mm。因此，由分层总和法计算得到的总沉降满足JTG D30-2015《公路路基设计规范》中软土路基高速公路一般路段工后沉降小于等于0.3 m的要求[18]。

3.3 FLAC3D仿真分析

为了对分层总和法的计算结果进行验证，本文采用FLAC3D三维有限元差分软件对上述路段地基沉降进行了仿真分析。模型土体本构关系采用摩尔-库仑准则，土层参数由室内快剪实验确定，其参数取值见表2。最终建立的模型与网格划分图见图6。

表2 模型土体参数取值

图6 模型与网格划分图

模型的边界条件约束了前、后、左、右和底面5个面的位移，在只建立土层模型的基础上，计算土层在自重作用下完成初应力平衡，再通过约束土层各方向位移为0来保证加载前地基沉降值为0。最后建立路堤和围堰等部分的模型来模拟围堰换填法对地基的影响，计算出路基施工后的地基沉降。

图6中，A～H点分别为所在土层中点，I点为路堤底面中点，J点为路堤顶面中点，K点为路堤底面边点。

图7为地基沉降云图。

图7 地基沉降云图(单位：m)

路堤底面中点I处总沉降为245 mm，可以计算出仿真分析的路堤填土沉降为11 mm，与理论计算值11.6 mm较为接近。路堤沉降远小于软土地基沉降的现象也验证了影响路基沉降的最大组成部分为软土地基沉降的判断。

路堤底面边点K处沉降为219 mm，与I点沉降值相差26 mm，因此，填筑路堤时须注意中点比边点需要更大的预留沉降量。

绘制A～I点处总沉降值(包括施工期沉降与工后沉降)的理论计算与仿真分析结果进行比较，见图8。

图8 地面深度与沉降值的关系

由图8可见，路堤底面中点I处分层总和法计算结果比仿真分析结果大，这是因为仿真分析采用的是摩尔-库仑本构关系，只考虑弹性范围内的变形，而分层总和法计算采用压缩模量计算考虑了不可恢复的塑形变形，所以理论计算最终沉降值较仿真分析的结果偏大。

图8中F点(距离地面7.7 m)处理论计算沉降值与仿真分析结果大小相近，当地面深度小于7.7 m时，理论计算沉降值大于仿真分析的结果；当地面深度大于7.7 m时，仿真分析沉降值又大于理论分析的结果。这是由于分层总和法假设了地基土层在侧向不能变形，从而导致计算沉降值偏小，而利用地基中附加应力计算地基沉降又会使计算结果偏大。

在距地面较深处，分层总和法分析需要考虑沉降计算的土层厚度较薄，附加应力在地面深处又比较小，而仿真分析则完全考虑土层侧向位移，所以此时仿真分析计算结果偏大；在距地面较浅处，分层总和法分析需计算的土层变多，比仿真计算考虑额外塑性变形的误差变大，所以此时的计算值比仿真分析的结果大。

围堰回填施工过程中分别在路堤底部和顶部埋设沉降板，以便监测工后沉降。监测发现，路面施工完成后380 d的路堤顶部沉降平均值为190.6 mm，路堤底部沉降平均值为178.3 mm，因此，路堤的沉降为12.3 mm。可以认为分层总和法计算值和数值仿真结果与实测值较为接近。这说明分层总和法和FLAC3D软件可以有效预测围堰换填法的工后沉降。

另外，对比发现，路堤底部沉降的现场实测值小于前述2种计算方法的理论值，其原因可能为：①虽然沉降监测数值近3个月变化不明显，可以认为工后沉降已趋稳定，这个实测值接近于最终的工后沉降，但是实际上这个沉降值是小于最终沉降量的；②软基处理最初的1 m左右不具备监测条件，未监测到这个阶段路基施工引起的地基沉降；③理论分析方法和模型对计算过程进行了部分简化，可能忽略了部分影响工后沉降的因素。总体来说，实测值较小说明围堰换填法的现场施工质量控制较好。

综上所述，理论计算、仿真分析和现场实测值得出的工后沉降均满足JTG D30-2015《公路路基设计规范》中软土路基高速公路一般路段工后沉降小于等于0.3 m的要求[18]。该工程项目实际通车后，围堰换填法施工路段的道路运行状态良好，未出现道路修建质量问题，道路整体稳定，说明围堰换填法能很好地处治沼泽区软土地基沉降过大的问题，可以保证道路修建后的安全稳定性。

4 结语

本文选择乌干达KE高速公路典型沼泽区路段，针对围堰换填法处理软基，分别采用分层总和法与FLAC3D仿真分析计算了沼泽区公路路基工后沉降，得出了如下结论。

1) 围堰换填法能有效提高地基承载力，适用于直接开挖或置换比较困难且流塑性好的永久性沼泽软土路基，但工程量较一般换填法大，施工周期长，施工成本较常规软基处理方法高。

2) 通过2种计算分析方法与现场实测值对比分析可知，采用围堰换填法进行软基处理，能有效地将沼泽区路基的沉降控制在规范允许范围内。其中，软土地基沉降是路面沉降值的最大组成部分。分层总和法计算的沉降值在地面以下较深处比采用摩尔-库仑本构关系仿真分析的结果小，而在离地面较近处又比仿真计算的结果大。

3) 围堰换填法能有效解决沼泽区软基处理中的施工困难和地基沉降过大的问题，确保路基的稳定性，用于处治沼泽区软土地基具有可行性和有效性。