软土条件下的公路拓宽工程路基沉降控制技术

顾爱兵

(安徽省铜陵市义安区交通运输局,安徽 铜陵 244000)

0 前 言

改革开放以来,我国的经济技术水平发展迅猛,主要得益于交通技术的发达和大量公路铁路形成的交通便利条件[1]。根据交通运输部公布的数据,截至2020年底,我国的公路总里程接近520万km,其中高速公路的里程超过了16万km,均位于世界第一,高速铁路用于运输营业的里程约3.8万km,覆盖全国大多数的大中小型城市[2]。我国国土面积辽阔,在公路建设的过程中,会面临不同的土质地质情况,这些情况使得公路的建设受到了严重的挑战[3]。

软土具有强度低、承载力弱、含水高、可压缩的特点,是我国在公路建设事业中需要必须面对和处理的问题[4]。公路的建设过程中,需要不断突破各种技术难题,公路线路选取时,可以尽量选择避开软土基质,但是对绕不开的区域,还是需要对其进行正确的处理,以保证我国的交通运输事业不受影响,提高公路的质量和服务寿命[5]。

沉降变形是软土路基的主要问题,尤其是在受到大型荷载的作用下,路基变形会使得道路无法使用[6]。针对上述问题,研究了基于软土路基条件下的公路拓宽工程路基沉降控制技术研究。依照公路路基的设计规范,分析软土路基的沉降规律,总结经验教训,对其进行加固处理,保证各项指标能够满足使用的要求。

1 软土路基加固控制技术

1.1 翻压回填加固

对于软土路基的公路拓宽工程,可以采用翻压回填的路基加固技术,主要的操作流程在于挖出路基中不适用的材料、进行孔隙排水、结构回填和路基压实几个步骤[7]。

为了保证施工的有效,需要在如下技术点进行沉降控制。

(1)材料挖出过程需要挖到既定的高度,挖除松散软土,进行基底压实操作,利用碎石土进行填充,逐层进行路面压实处理。

(2)开挖作业必需要有足够的缓冲宽度,作业宽度需要大于路基边缘1 m,并制作5%横坡以保证路基稳定。

(3)碎石土中的石头含量要大于60%,压实度要大于95%,且每层压实土层均需要设置2%的纵坡。

(4)压实作业需要保证碾压的次数,根据路段测试结果,对碾压次数进行修正,保证路面的压实度符合要求。

1.2 水泥搅拌桩加固技术

对于软土路基可以采用水泥搅拌桩加固技术,该方法可以有效提升软土路面的承载能力,且施工效率更高,适用深度约为3～10 m范围。

根据试验的结果来确定搅拌桩的直径和桩长,利用软件模拟设定桩体之间的距离,水灰比设计需要符合加固要求,利用“四喷四搅”的设计方案,可以有效提高路基的承载力,避免沉降发生。

1.3 片石垫层方案

片石垫层法同样可以处理软土路基沉降问题,其主要技术流程为:放样、路基排水、清除表土、路基加固、压实。

为了有效控制路基加固的质量,需要在施工中对工艺严格要求,对于路基中的明水和淤泥等都需要排出干净,利用水泵将水抽离,并保证淤泥和软土等被完全清除。在完全确定路基没有水的情况下,对其进行填实处理。严格控制路基中的软土掺杂和水含量,避免出现路基弹簧现象。

清除表土的厚度需要根据测试情况来加以确定,保证厚度足够满足沉降的要求,片石垫层的厚度同样需要做好工程测算,利用弯沉值对抛填情况进行测试,不符合标准的工艺均需要返工处理。

片石垫层上方利用碎石进行覆盖,碎石的厚度一般约为30 cm,可以采用工程沿线的河沙、碎石、花岗岩等作为覆盖材料,在保证工程质量的前提下,降低工程成本。在碎石层与片石垫层之间利用土工格栅进行工程加固,并在碎石层上方也利用土工格栅进行加固。土工格栅需要采用横向铺设方法,施工质量需要严格保证。

2 实验模拟与实验分析

2.1 实验条件

以铜陵的快速干道工程为例,分析路基加固技术对于沉降的影响和作用机理,该路段全长4.83 km,施工期60 d,地形并不完全平整,属于沟壑纵横的区域,公路沿线总体的地势特征为两侧偏低,中间凸起,地表高程约为2.52～16.75 m,高差14.23 m。

整个软土的分布位置相对平坦,土层的主要构成为粘土、粉土以及淤泥等。一般情况下,该基底并不符合公路路基的要求,需要通过加固技术,使其满足条件要求。该路段中岩层深度不大,地下水的深度较浅,含量较高,土层结果完整,不含断裂和不良地质,总体来说该工程的条件较差。

施工方案的选取需要根据不同的地质条件来加以选择,施工路段中可以采用翻压回填加固和水泥搅拌桩加固技术,以及片石垫层技术等。

对于软土埋深不大的位置采用翻压回填加固技术,将不合适的软土换填处理。对于埋深较大的位置,利用水泥搅拌桩路基加固方法。

对于路段中淤泥含量高,淤泥层后较深的位置,如果采用回填加固的方法则需要挖出的工程量过大,不利于工期的保证和成本的节省,因此可以采用水泥搅拌桩路基加固方法。

重点分析水泥搅拌桩加固技术对于公路拓宽工程的影响,分析不同搅拌桩参数等对于路基加固的影响,力争寻找到一个合适的解决方案,为路基沉降的控制寻找答案。

2.2 模拟条件设定

由于软土路基上面的沉降速度的影响因素较多,需要考虑的因素包括侧向形变,路面荷载和其他边界条件等多个因素,因此采用简单的数值解析法,很难得到满意的计算结果,因此可以采用工程计算中常用的有限元法来对其进行求解。

有限元法可以准确地模拟出材料属性与结构性别等方面的真实结果,对于复杂的边界条件等均能够有效反映,因此被广泛应用于工程模拟。主要采用的软件为Abaqus。该软件功能强大,使用简单,适应性强。

软件的建模过程根据实际土层的情况加以模拟,路基的土层分为4层,分别为素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土和粉质黏土。模型路基宽度为36.52 m,路边坡度为1∶1.5,路堤的高度根据实验条件,设定为4.1 m,路堤分4次填完。

为了保证模型的计算效率,对于部分三维问题的处理,需要将其近似成二维问题,因此在模型建立的过程中做出如下假设:

假设面材料均为线弹性,土层模型均为线弹性模型;假设路基两侧不透水,不发生水平方向的位移;假设模型底层不透水,位置固定,所有土层均为均匀分布。

模型参数的设定中,设定地基与路堤连接处的垫层厚度为0.4 m,弹性模量为45 MPa,泊松比选择为0.4,透水系数为1.1 m/d。

设定水泥搅拌桩的桩体直径为0.5 m,桩长为8.5 m,桩与桩之间的距离为1.3 m,弹性模量和泊松比分别为120 MPa和0.2。

2.3 结果与分析

(1)水泥搅拌桩桩体模量的影响。

为了分析水泥搅拌桩桩体模量的影响,对其选择不同的模量值,分析在不同模量状态下的路基沉降情况。

分别选择桩体模量的数据分别为50、100、150和200 MPa,其他参数保持不变,从而分析路基沉降的情况,如图1所示。

图1 桩体模量对于沉降的影响

图1中可以看到,对于不同的搅拌桩模量,路基的沉降情况趋势相同,但是结果表现并不完全一致。路基的沉降情况,随着搅拌桩模量的增加而减小,并随着距离路基中心线距离的增大而减小。

模量为最低的50 MPa时,路基沉降最大,为7.054 cm,而模量为200 MPa时,路基的最大沉降为6.031 cm。

从中可以看到,为了有效控制公路拓宽工程中的路基沉降问题,可以在施工过程中,有效控制水泥搅拌桩的模量,模量选择越大,对于路基沉降的控制效果越好。

(2)搅拌桩桩间距的影响。

搅拌桩的位置同样能够影响路基的沉降,分析桩间距的影响,选择四个不同的桩间距,分别为1.0、1.5、2.0和2.5 m。维持模型其他参数不变,分析由于桩间距而造成的路基沉降情况,结果如图2所示。

图2 搅拌桩间距对于沉降的影响

图2中可以看到,随着桩间距的逐渐增大,路基的沉降逐渐上升,从路基中心至路基边界出的沉降逐渐下降,可知其趋势与上一节相同。

桩间距为最小的1.0 m时,路基沉降的最大值为6.452 cm,而桩间距为最大的2.5 m时,路基沉降的最大值为7.065 cm,差距明显。

从而可知,对于桩间距变化的情况下,路基沉降出现明显不同。在施工的过程中,控制水泥搅拌桩的桩间距能够有效影响路基的沉降情况。但是,当原桩间距很小的情况下,进一步缩小间距的效果会逐渐减弱,此时需要考虑采用其他的方法来改善路面沉降情况。

(3)搅拌桩长度对于路基沉降情况的影响。

搅拌桩的长度同样能够对于路基的沉降情况产生影响,在不改变其他参数的条件下,改变搅拌桩的长度,分别选择6、9、12和15 m四种搅拌桩长度,其仿真结果如图3所示。

图3 搅拌桩长度对沉降的影响

图3中可以看到,对于不同的搅拌桩长度,尽管沉降的变化趋势相同,均是随着距离路基中心的距离增大而减小,但是路基的沉降情况还是出现了明显的区别。搅拌桩长度越长,路基的沉降越少。对于搅拌桩长度为15 m的情况下,此时路基沉降的最大值为3.835 cm。对于搅拌桩长度为最短的6 m 情况时,此时路基最大沉降值为7.025 cm。

数据分析结果可以看到,增加搅拌桩的长度能够有效抑制路基出现的沉降情况,效果明显,但水泥搅拌桩的长度越大,建设成本就会越高,因此在选择路基沉降控制措施时,需要综合考虑成本与沉降效果之间的平衡情况。

(4)路堤处的填土速率对于路基沉降的效果影响。

为了分析不同的路堤填土速率对于整个公路路基沉降的影响,选择四种不同的填土速率进行横向比较,不改变其他的仿真参数,选择速率分别为1 m/10 d、1 m/15 d、1 m/20 d和1 m/25 d,其数据对比结果如图4所示。

图4 路基填土速率对于路基沉降的影响

图4中可以看到,随着填土速率的变化,路基沉降的效果出现很大的差异,随着填土速率的增多,路基沉降最大值越来越大,填土速率为1 m/10 d 时,路基沉降的最大值为6.835 cm,而填土速率为最小的1 m/25 d时,此时路基沉降的最大值下降为6.235 cm。

从而可以说明,对于不同的填土速率,路基沉降还是存在一定的变化,因此在施工过程中,需要控制路堤的填土速率。其主要原因在填土速率越快,路基土体固结的时间越小,从而使得路基沉降会越明显,反之则会抑制路基沉降情况。但由于工期的限制,也不能无限期的减慢填土速率,因此需要在施工过程中,加以取舍和权衡。

在工程参数和工程成本的权衡之下,在满足路基沉降基本在工程施工中,快速干道选择的桩基参数分别为桩基模量为150 MPa,搅拌桩间距1.5 m,搅拌桩长度9 m,填土速率为1 m/15 d,最终路基沉降为5.528 cm,满足既定工程要求。

3 结 论

针对软土条件下的公路拓宽工程路基沉降的控制技术,分析了路基沉降的产生原因和加固措施,针对实验路段,采用水泥搅拌桩加固技术对路基进行加固,分析水泥搅拌桩参数对于沉降结果的影响,从实验结果上可以看到,水泥桩的模型、桩与桩之间的间距,桩体的长度等,均会对于路基的沉降造成明显的影响,因此在路面的控制过程中,需要对参数进行选择,保证路面沉降的控制效果。路堤的填土速率等依然能够影响路基沉降,因此也需要在建设工期和沉降控制方面进行权衡,以获得更好的路基沉降控制效果,维持路面结构稳定。