公路软土路基加固及沉降研究——以某高速公路K45+678断面软土地基为例<br/>

公路软土路基加固及沉降研究——以某高速公路K45+678断面软土地基为例

2021-10-23左娜，黄昊

工程技术研究 2021年15期

左娜，黄昊

华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014

国内外学者对公路软基均匀沉降变形展开了一些研究，如仓基俊等[1]以某软土地区淤泥质土堆山工程为研究对象，利用理论分析和室内模型试验探讨了地基处理方案的可行性，并计算出山体稳定性和地基沉降、预测最终沉降等，从而优化了设计参数；涂志飞[2]依托荆东高速公路，对典型断面的软土地基沉降进行观测，并利用双曲线法、泊松曲线、指数曲线法三种理论来预测地基的工后沉降。但是目前针对软土地区公路地基沉降控制规范并不完善。因此，研究软土地区地基沉降变形特性具有十分重要的工程意义。

1 公路软土地基处理方法及沉降机理分析

1.1 软土地基处理措施选择

目前对高速公路软土地基进行加固的方法主要有换填、强夯、抛石挤淤、真空预压、水泥搅拌桩、碎石桩等，各方法的处理深度及适用范围如表1所示。

表1 软土地基加固方法对比

由表1可知，如果地基软土深度小于5m，就将基底软弱土全部清除，换填透水性好的碎（砾）石土；如果软土路段存在积水，应先设置临时围堰（可采用采用黏性土、粉质黏土或砂夹黏土等），排干围堰积水后再处理软基；对于人工填土路段，必须清除人工填土和腐殖土，并换填砾类土分层压实。

1.2 软土地基沉降变形机理

如果公路工程在建设期间遇到软土地基，路基的填筑等就可能导致地基出现较大沉降。在外部荷载的作用下，软土地基沉降一般分为初始沉降、固结沉降和次固结沉降三个阶段。在外荷载作用下软土地基的3种变形模式皆有可能出现，其中初始沉降是在软土地基加载的瞬时出现的，地基土的空隙水无法及时排出，软土地基会发生剪切变形，使得土体只发生形状的变化而无体积变化；固结沉降是软土地基沉降变形的主体组成部分，此时地基土往往是由于软土地基土颗粒在外荷载作用下出现蠕变现象所引起的。软土地基的总沉降变形S的计算公式如下[3]。

式中：Sd为初始沉降；Sd为固结沉降；Sc为次固结沉降。

2 案例分析

2.1 工程概况

文章依托项目为某高速公路，项目路线里程长190.016km，该段填方路基中心填高为29m，共分为6级分层压实，填料主要是粉质黏土，地基存在3.5m软土（以淤泥质土为主），笔者采用换填透水性较强的碎石土进行地基加固，并选择建立二维平面模型进行地基沉降分析，地基土及路基计算模型及网格划分情况如图1所示。

图1 K45+678断面填方路基有限元模型

根据地基的岩土勘察报告、室内物理力学特性试验等方法将该段路基土体共分为三层，路堤和地基土材料参数如表2所示。

表2 路堤和地基土物理力学参数

2.2 软土地基处理后沉降变形分析

（1）路堤填筑前后软土地基应力变化。软土地基在路基填筑之前已经在自身重力作用下基本完成固结，应处于较稳定应力状态之下，故在路基填土之前应进行初始地应力，即将速度和位移清零来体现路基填土所引起的地基沉降变形。相对于初始应力状态，软土地基主应力在路基填筑后有了大幅度的提高，这相当于在地基上施加一定的荷载。由于竖向荷载大小主要由上覆填土重力产生，随着路基填方高度增加，软土地基所承受竖向应力也不断提高。与此同时，随着地基深度的增加，作用于地基顶部的竖向压应力增加呈曲线衰减趋势，是符合土力学中荷载扩散理论的，这表明了模型建立和初始地应力平衡是正确的。

（2）软土地基处理后沉降变形。笔者在利用ANSYS 15.0软件计算软土地基沉降时在地基土中心位置（1#、2#、3#单元）和边缘处（4#、5#、6#单元）分别选择3个单元作为监测点，对其沉降进行了监测，得到了路堤分级填筑后软土地基的沉降变形趋势如图2所示。

图2 软土地基分级填筑的沉降变形规律

数值模拟计算结果表明：软土地基1#～6#单元的沉降变形均随着路基填筑高度的增加而不断增加，但地基中心单元的沉降要大于边缘处的沉降。当地基加载小于三级时，地基各单元沉降变形不明显；当地基加载大于三级时，地基沉降出现突变的趋势，即位移出现骤增，此时（地基未出现破坏）地基沉降与加载级数基本呈线性正相关关系。路基填筑结束后，地基中心单元最大沉降变形平均值为4.78mm，地基边缘处最大沉降变形平均值为2.65mm，由此可知软土地基的中心沉降变形是地基边缘的1.8倍左右。这表明上覆填土荷载是影响软土地基沉降的关键因素，且随着上覆荷载不断增加，作用在软土地基的竖向应力不断提高，从而使得软土地基沉降变形不断增大。