探讨软土路基波浪变形机理及减小不均匀沉降的措施

王昕杰

摘要 软土工况在道路工程施工中普遍存在，对地基的强度、刚度有较大的影响，软土地基在汽车荷载作用下容易变形。某新修路段有软土地基，在施工场地采取了真空预压加固处理，工程完工后一段时间，路面产生了明显的波状沉降。基于此，文章以软土路基工程实例为研究对象，建立了“波浪”沉降理论模型，并在此基础上通过力学分析，明确了路基“波浪”沉降特征与车辆荷载的相关性;根据软土路基“波浪”沉降变形的特征，提出软土路基上应用土工格栅进行加固，以控制软土路基的沉降变形。

关键词 软土地基;波浪变形;土工格栅;加固措施

中图分类号 U416.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0157-03

0 引言

随着我国公路建设的迅速发展，交通负荷日益增加，道路的损坏问题也随之而来，路基的不均匀沉降会对路面造成严重的破坏，从而影响行车速度、安全和舒适性。软土路基沉降影响路基、路面的结构整体性，如：易引起路面开裂、凸起等病害[1]。该文通过建立路基的力學模型，对其成因进行了分析，并对路基加固进行了优化与改进。

1 软土路基变形分析

（1）在软土路基工程施工的过程中，控制路基变形非常关键，根据沉降发生的历史时间点，可以将路基沉降划分为瞬间沉降和累积沉降，其中累积沉降可以分为两大类型：次固结沉降和固结沉降[2]。同时，在软土路基上也会发生不可逆的塑性形变，从而给路基带来永久的损坏。

（2）该工程的软土路基，虽然采取了真空预压加固法，但整体的承载力仍然不能满足实际的运营需求，在完工之后，路基相继发生了“波浪”形沉降，最大峰值落点达到100 mm。

2 超软土道路地基波浪变形机理

（1）软土道路建成通车后，由于车辆荷载与路面层自身重量的耦合作用，导致软土路基产生“波浪”形沉降。

（2）当汽车在“波浪”形变的波峰或谷点时，相应的软土路基荷载响应如图1所示。

（3）在“波浪”形变路面选取特征点A、B、C、D、E，假定车辆行驶速率为v，车辆重度为G，车辆轮胎受路面反作用力Fn，车辆离心力f，车辆自重与路面法向夹角值θ。根据离心力计算公式，可得轮胎反作用力Fn计算公式。

（4）AB段与DE段车辆做近似圆周运动的离心力方向向上，由图1受力分析可得出路面反力为：

（5）BC段与CD段车辆离心力方向向下，因而路面反力为：

式中，m——车辆的质量;R——路面圆周曲线半径。

（6）结合式1、2和图1，可以看出，AB段的轮胎反作用比BC段小，在谷点处，车辆的冲击变形比峰值位置要大;从DE和CD段的反作用，也可验证出反作用力的结论。

（7）BC段：车辆通过B点到达C点，如式2所示，随着车速的提高，汽车的自重和道路的法向角θ逐渐减小，相应的轮胎反作用力Fn随之增大，在汽车行驶到“波形”段时，路面受到的影响最大，相应的塑性变形也较大。

（8）CD段：在车辆到达C处时，对应的瞬间速度最大;由式2可以看出，当车速下降时，汽车重量与路面法向角θ会逐渐增大，相应的轮胎反作用力Fn会随之下降，因此，在谷底时，路面的动态载荷最大，谷底处的残余变形最大。

（9）软土路基波浪形变机理：1）在道路建设初期，由于路面的非均匀沉降，使路面产生初始波形;2）初始缺陷和不同尺寸的车辆负载，使得路面的起伏程度持续加重[3]。

3 减小不均匀沉降的措施

从软土路基“波浪”沉降的变形机制可以看出，“波浪”的破坏应该以早期破坏为基础，并为今后的软土路基加固和修补指明了一个新的思路[4]。

3.1 软土路基加固常用方法

（1）换填法：软土路基采用换填法，可在原有路基上采用挖掘机对软土和淤泥进行清除，并选择适当的材料进行回填压实。

（2）抛石挤淤法：采用抛石挤淤的方法，通过石头的挤压作用，使软土路基得到强化处理。以石头代替淤泥是一种置换方法，它可以彻底地改善软土路基的特性，提高其稳定性;在合理的尺度下，一般选择5～40 cm的尺寸，并确保浸泡后的片石强度至少为20 MPa;在抛料时，首先利用大颗粒石头进行预挤压，然后由大型挖掘机和其他履带式机械进行碾压，保证其具有基本的稳定性。

（3）水泥搅拌桩法：

1）采用深搅拌器进行水泥搅拌桩的施工，将地基和混凝土中的泥土充分混合，从而在软土中产生粘接效应。再将其与周边软粘土混合，从而构成具有高强度的水泥搅拌桩;

2）水泥搅拌桩是一种较好的软土路基处理方式，在桩底2～4倍直径处，可使搅拌桩获得最大的轴向载荷，当桩长小于7 m时为水泥搅拌桩的最大轴向载荷。因而，在桩头以下2～4倍桩径处，桩体的轴力较大，提高了桩体的承载能力。

（4）其他处理方法：采用反压护道法、预应力管桩法、高压旋喷法等。反压护道法是指在道路两旁填筑较大的反压力和较厚的土层，以避免软土路基发生剪切与滑移的现象发生;高压旋喷桩是采用旋喷、定喷、摆喷三种方法对软土、沙土和淤泥质土进行加固。

3.2 分析选用的软土路基加固方案

（1）该工程使用周围的块石作为换填材料，在换填完毕后，其承载能力和变形相对较小;为了改善路面的承载力和降低路面沉降，可以将上部的荷载传递到下卧层。

（2）对软土路基的变形原理进行了深入的研究，并建议对软土路基应用土工格栅进行加固，以改善其承载力和变形刚度。通过实际应用证明，采用土工格栅加固后的软土地基，其承载能力得到了明显的改善。

（3）在软土路基上，由于采用了土工格栅的约束，其摩阻力有明显增大，土层间的抗剪性能力也有明显增大，并能有效地防止土的横向变形[5]。

（4）在路基和路面层之间增加土工格栅，可明显改善路基的整体强度和抗变形刚度，防止裂缝现象的发生，降低路基、路面层的铺层厚度。

（5）增加土工格栅可以减弱土壤的剪切破坏，从而对软土路基的可塑性变形进行控制。

3.3 土工格栅加固超软土路基效果的有限元分析

为了论证土工格栅加固超软土路基的加固效果，建立有限元模型，进行计算分析。

3.3.1 计算模型

（1）采用Abaqus软件对加增土工格栅的软土路基，进行了有限元计算。

（2）采用Membrane单元对不能进行变形的土工格栅进行模拟，以符合实际工程的要求。

（3）采用摩尔—库伦模型，对软土、砾岩层进行了数值模拟[6]。

（4）在土工格栅、软土间加入有限元计算，以提高模型模拟的准确性。

（5）基于线弹性本构关系，模拟土工格栅。

3.3.2 计算参数

为获得精确的本构关系，并进一步改进有限元数值计算的精度，在施工现场进行了原状土的实验，其力学参数如表1所示。

3.3.3 荷载

有限元模型中，以平面载荷取代车辆载荷，以均匀载荷计算路基基础构件的自重[7]。

3.3.4 有限元计算结果

（1）模拟结果：

1）比较常规软土路基、加铺土工格栅软土路基时的应力与变形，以确定其土工格栅的加固效果[8];

2）图2所示为土工格栅的应力云图，而图3所示为一般的软土路基上的应力云图;

3）比较结果表明：在土工格栅的布置下，可以使载荷的分配方式得到最优，从而达到应力的扩展;应力等级会减小，证明了土工格栅的作用。

（2）位移模拟：图4、图5显示了两种情况下，在常规软土路基与增加土工格栅软土地基上，进行竖向位移的计算，结果表明：土工格栅对路基垂直位移有显著的抑制作用，两者之间的位移差大于25 mm，充分证明了土工布格栅对地基垂直位移的限制作用。

4 结论

为了减少路基不均匀沉降，提高路面品质，必须做到早发现，早预防，早处理，并及时采取有效的补救办法，以确保路面能够经受车辆的多次荷载和冲击，保障道路交通的安全运营。通过对软土路基“波浪”形沉降的机理、加固工艺的研究，得出了如下结论：

（1）在软弱路基条件下，路基初期的沉降缺陷是造成软土路基“波浪”形沉降的原因，在车辆的连续行驶下，“波浪”形沉降的峰值和谷差逐渐增大，最后造成路面开裂、凸起，严重影响路面的正常行驶[9-10]。

（2）从离心力的计算公式可以推导出“波浪”路面上各种特征点的荷载计算公式，利用此公式可以求出在波峰和波谷的冲击效应。

（3）利用土工格栅进行加固，可以解决软土路基初期沉降的问题，从而从根源上对“波浪”形沉降进行有效的控制与约束。

（4）利用有限元分析软件，比较了两种不同工作状态下的路基受力情况，并与常规软土路基进行了比较。比较结果表明增设土工格栅可以提高软土路基的承载能力，优化载荷形式，提高了路面的抗压能力。

参考文献

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