结构化路基在深厚软基处理中的应用探讨

朱士东,刘颖波

(苏交科集团股份有限公司 南京市 210017)

1 研究背景

珠江三角洲地势平坦开阔，区内河渠纵横交错，水网密布，由于河流冲积和海潮的进退作用，在该区广泛沉积了厚层的海陆相交互软土。这一带大部分为近代淤积的大孔隙、空架结构的饱和粘土地基，由此形成珠江三角洲淤泥独有的工程特性“三高两低”：含水量高、压缩性高、塑性指数高，而强度低、渗透性低。

根据相关调查结果，区域在以往公路、码头、深基坑工程中都有滑塌事故发生，如321国道(三水线境内)、佛开高速公路二标段、新会双水码头等；已建公路桥头跳车现象比较普遍，与中开高速相交的江珠高速桥头通车8年，最大桥头差异沉降达1.1m。如何依据淤泥的工程特性和特点，选择合适的加固方法和工艺，安全、经济、快速地地基处理，是当前珠江三角洲工程界和学术界的主要课题。

高等级公路对深厚软土进行处理过程中，寻求经济合理、快速有效的处理方法，是国内外学术界、工程界共同面临的难题。经过多年的理论研究和工程实践，工程界提出了多种加固措施使路基大部分沉降量在施工期内完成，尽量降低使用期的沉降量，缩短沉降期[1]。

目前常用的软基处理方法主要有袋装砂井堆载预压、真空联合堆载预压、鱼塘填平及反压护道、泡沫轻质土填筑桥头、水泥搅拌桩、预应力管桩等。在具体实践中也经常组合使用，如预应力管桩+塑料排水板、水泥搅拌桩+泡沫轻质土、真空联合堆载预压+泡沫轻质土等。

但在实际施工过程中，常出现征拆压力大，挤压施工工期的情况，导致软基处理施工、预压周期不足，软基处理效果差，轻则通车不久即跳车，重则出现滑移，甚至推移桥梁桩基的情况。基于此，为有效提高路基填筑进度，路基结构化理念产生，并在中山至开平高速项目试验段中得以进行研究。

2 试验段概况

借鉴工程抢险时采用圆管涵代替路基填料的思路，兼顾本项目缺方严重，借方运距远，经济性差，试验段考虑采用钢波纹管代替路基填料，达到减载和提高施工速度的目的。试验段为中开高速某互通E匝道EK0+156～EK0+206段，共50m长，一般路段，容许工后沉降不大于30cm，试验段地基真空预压后采用Φ4m钢波纹管+轻质泡沫土填充的处理方式。

管壁厚度4mm，管之间净距100cm，管材间采用轻质泡沫土填充，管顶厚度50cm，管底设置50cm级配良好的砂砾垫层。

3 数值模拟分析

3.1 计算模型及相关参数

本次研究的主要对象为路堤，根据实际工程地质条件的勘察情况和路堤宽度，设计地基计算深度为20m，素填土3m，淤泥层后15m，黏土层2m，路堤计算宽度12.5m，路面宽9m。

图1 结构化路基几何模型及数值计算模型三维立体图

3.2 基本假定及相关参数选取

为方便模拟本次路堤施工过程，加强对研究对象路堤的研究，基本假定如下：

(1)地基为已经经过真空预压处理后的状态。

(2)地基为带状，以平面应变模拟和分析。

(3)以摩尔-昆仑弹塑性模型模拟地基的素填土层、粘土层。

(4)以修正剑桥模型模拟地基的淤泥层。

(5)自由表面为透水边界。

建立模型中的地基为已完成的真空预压加固处理后的状态，而在路堤的施工过程中，地基必定会开始新一阶段的沉降，根据现场勘察资料，试验段的各个层位的参数如表1、表2所示。

表1 路基与地基参数

表2 修正剑桥模型参数

3.3 结构化路基应变分析

(1)结构化路基水平位移分析

对结构化路基的施工完成以及其工后位移进行模拟计算，得到其在路堤施工完成后的水平位移以及施加荷载后的水平位移云图，如图2、图3所示。

图2 竣工后的结构化路基水平位移云图

图3 施加车辆荷载后的结构化路基水平位移云图

从图2、图3可以看出，竣工后路堤的水平位移和施加车辆荷载后的水平位移在变化趋势上基本一致，后者在水平位移数值上略大于前者。水平位移主要发生坡脚大直径管材与地基接触处，由于上覆荷载挤压，路堤填筑物产生压缩，土体向两侧挤压，在坡脚位置大直径管材底部向两端产生形变，整体结构化路基其余位置并无明显水平位移。

(2)大直径管材应变分析

对结构式路堤的施工中的大直径管材的变形进行模拟计算，得到其在路堤施工完成后的水平位移以及施加车辆荷载后的位移云图，如图4、图5所示。

图5 大直径管材通车后竖向位移云图

大直径管材的水平位移主要发生在管底部分，上部基本不发生水平位移，由于上部受压产生竖向位移，同时地基土与周围泡沫轻质土共同挤压大直径管材，使得大直径管材底部产生向两侧的水平位移。由图5可以看出，竣工后的大直径管材竖向位移小于施加车辆荷载后的竖向位移。在管顶位置设置位移监测点，结构式路堤竣工后大直径管材的最大竖向位移出现在管顶部中心处，为30.3mm，在结构式路堤上施加车辆荷载后大直径管材的最大竖向位移出现在管顶部中心处，为51.2mm，与路堤表面的沉降基本一致。通过对比可以看出，随着泡沫轻质土的填筑以及路面结构的施工和车辆荷载的施加，上覆荷载不断增大，路堤产生沉降，路堤填筑层发生压缩。下部大直径管材受挤压产生向下的变形，受上覆荷载和泡沫轻质土的挤压发生水平侧向位移，导致大直径管材底部中心位置有产生向上隆起的趋势，但其向上的数值很小，故并不会产生明显的向上的形变。

4 结构化路基沉降计算及对比分析结论

为了便于分析路基沉降，对工程计算模型进行适当的简化，由于波纹钢管不方便直接计算，通过等效替换得到用结构式路堤填筑后的土层的等效重度。在1m3的土体中按原来土体中所含的各材料占体积比来重新组合得到计算参数。通过等效换算可得波纹钢管结构路堤置换土层的等效重度γ=3.78kN/m3。简化后的试验段填筑完成后的路堤包含50cm级配良好的砂砾垫层，路面结构包含路床和70号A级石油沥青路面及标准车辆荷载。

依托工程地质报告资料选择现场试验段，利用考虑蠕变沉降计算理论对大直径钢波纹管结构化路堤联合真空预压工程进行了沉降计算分析，主要对各阶段沉降以及工后沉降进行了理论计算分析，计算结果如表3所示。

研究结果表明，考虑蠕变沉降计算方法计算结果与数值模拟结果以及目前现场监测结果较为相符，相较于不采用蠕变沉降更精确，说明了其可靠性，结构化路基方案可以满足规范规定的不大于30cm沉降的要求。大直径管材替代路基填料的结构化路基方案可以为软基处理提供新思路。