軟土條件下的公路拓寬工程路基沉降控制技術(shù)研究

顧愛兵

(安徽省銅陵市義安區(qū)交通運(yùn)輸局，安徽 銅陵 244000)

1 軟土路基加固控制技術(shù)

1.1 翻壓回填加固

對于軟土路基的公路拓寬工程，可以采用翻壓回填的路基加固技術(shù)，主要的操作流程在于，挖出路基中不適用的材料、進(jìn)行孔隙排水、結(jié)構(gòu)回填和路基壓實(shí)幾個步驟。

為了保證施工的有效，需要在如下技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行沉降控制。

(1)材料挖出過程需要挖到既定的高度，挖除松散軟土，進(jìn)行基底壓實(shí)操作，利用碎石土進(jìn)行填充，逐層進(jìn)行路面壓實(shí)處理。

(2)開挖作業(yè)必需要有足夠的緩沖寬度，作業(yè)寬度需要大于路基邊緣1 m，并制作5%橫坡以保證路基穩(wěn)定。

(3)碎石土中的石頭含量要大于60%，壓實(shí)度要大于95%，且每層壓實(shí)土層均需要設(shè)置2%的縱坡。

(4)壓實(shí)作業(yè)需要保證碾壓的次數(shù)，根據(jù)路段測試結(jié)果，對碾壓次數(shù)進(jìn)行修正，保證路面的壓實(shí)度符合要求。

1.2 水泥攪拌樁加固技術(shù)

對于軟土路基可以采用水泥攪拌樁加固技術(shù)，該方法可以有效提升軟土路面的承載能力，且施工效率更高，適用深度約為3～10 m范圍。

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果來確定攪拌樁的直徑和樁長，利用軟件模擬設(shè)定樁體之間的距離，水灰比設(shè)計(jì)需要符合加固要求，利用“四噴四攪”的設(shè)計(jì)方案，可以有效提高提高路基的承載力，避免沉降發(fā)生。

1.3 片石墊層方案

片石墊層法同樣可以處理軟土路基沉降問題，其主要技術(shù)流程為：放樣、路基排水、清除表土、路基加固、壓實(shí)。

為了有效控制路基加固的質(zhì)量，需要在施工中對于工藝嚴(yán)格要求，對于路基中的明水和淤泥等都需要排出趕緊，利用水泵將水抽離，并保證淤泥和軟土等被完全清除。在完全確定路基沒有水的情況下，對其進(jìn)行填實(shí)處理。嚴(yán)格控制路基中的軟土摻雜和水含量，避免出現(xiàn)路基彈簧現(xiàn)象。

清除表土的厚度需要根據(jù)測試情況來加以確定，保證厚度足夠滿足沉降的要求，片石墊層的厚度同樣需要做好工程測算，利用彎沉值對于拋填情況進(jìn)行測試，不符合標(biāo)準(zhǔn)的工藝均需要返工處理。

片石墊層上方利用碎石進(jìn)行覆蓋，碎石的厚度一般約為30 cm，可以采用工程沿線的河沙、碎石、花崗巖等作為覆蓋材料，在保證工程質(zhì)量的前提下，降低工程成本。在碎石層與片石墊層之間利用土工格柵進(jìn)行工程加固，并在碎石層上方也利用土工格柵進(jìn)行加固。土工格柵需要采用橫向鋪設(shè)方法，施工質(zhì)量需要嚴(yán)格保證。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

以銅陵的快速干道工程為例，分析路基加固技術(shù)對于沉降的影響和作用機(jī)理，該路段全長4.83 km，施工期60 d，地形并不完全平整，屬于溝壑縱橫的區(qū)域，公路沿線總體的地勢特征為兩側(cè)偏低，中間凸起，地表高程約為2.52～16.75 m，高差14.23 m。

整個軟土的分布位置相對平坦，土層的主要構(gòu)成為粘土、粉土以及淤泥等。一般情況下，該基底并不符合公路路基的要求，需要通過加固技術(shù)，使其滿足條件要求。該路段中巖層深度不大，地下水的深度較淺，含量較高，土層結(jié)果完整，不含斷裂和不良地質(zhì)，總體來說該工程的條件較差。

施工方案的選取需要根據(jù)不同的地質(zhì)條件來加以選擇，對于施工路段中，可以采用翻壓回填加固和水泥攪拌樁加固技術(shù)，以及片石墊層技術(shù)等。

對于軟土埋深不大的位置采用翻壓回填加固技術(shù)，將不合適的軟土換填處理。對于埋深較大的位置，利用水泥攪拌樁路基加固方法。

對于路段中淤泥含量高，淤泥層后較深的位置，如果采用回填加固的方法則需要挖出的工程量過大，不利于工期的保證和成本的節(jié)省，因此可以采用水泥攪拌樁路基加固方法。

重點(diǎn)分析水泥攪拌樁加固技術(shù)對于公路拓寬工程的影響，分析不同攪拌樁參數(shù)等對于路基加固的影響，力爭尋找到一個合適的解決方案，為路基沉降的控制尋找答案。

2.2 模擬條件設(shè)定

由于軟土路基上面的沉降手動的影響因素角度，需要考慮的因素包括側(cè)向形變，路面荷載和其他邊界條件等多個因素，因此采用簡單的數(shù)值解析法，很難得到滿意的計(jì)算結(jié)果，因此可以采用工程計(jì)算中常用的有限元法來對其進(jìn)行求解。

有限元法可以準(zhǔn)確的模擬出材料屬性與結(jié)構(gòu)性別等方面的真實(shí)結(jié)果，對于復(fù)雜的邊界條件等均能夠有效反映，因此被廣泛應(yīng)用于工程模擬。主要采用的軟件為Abaqus。該軟件功能強(qiáng)大，使用簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。

軟件的建模過程根據(jù)實(shí)際土層的情況加以模擬，路基的土層分為四層，分別為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土。模型路基寬度為36.52 m，路邊坡度為1∶ 1.5，路堤的高度根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)定為4.1 m，路堤分四次填完。

為了保證模型的計(jì)算效率，對于部分三維問題的處理，需要將其近似成二維問題，因此在模型建立的過程中做出如下假設(shè)：

假設(shè)面材料均為線彈性，土層模型均為線彈性模型；假設(shè)路基兩側(cè)不透水，不發(fā)生水平方向的位移；假設(shè)模型底層不透水，位置固定，所有土層均為均勻分布。

模型參數(shù)的設(shè)定中，設(shè)定地基與路堤連接處的墊層厚度為0.4 m，彈性模量為45 MPa，泊松比選擇為0.4，透水系數(shù)為1.1 m/d。路面、路基等參數(shù)參考文獻(xiàn)12。

設(shè)定水泥攪拌樁的樁體直徑為0.5 m，樁長為8.5 m，樁與樁之間的距離為1.3 m，彈性模量和泊松比分別為120 MPa和0.2。

2.3 結(jié)果與分析

(1)水泥攪拌樁樁體模量的影響

為了分析水泥攪拌樁樁體模量的影響，對其選擇不同的模量值，分析在不同模量狀態(tài)下的路基沉降情況。

分別選擇樁體模量的數(shù)據(jù)分別為50、100、150和200 MPa，其他參數(shù)保持不變，從而分析路基沉降的情況，如圖1所示。

圖1 樁體模量對于沉降的影響

圖1中可以看到，對于不同的攪拌樁模量，路基的沉降情況趨勢相同，但是結(jié)果表現(xiàn)并不完全一致。路基的沉降情況，隨著攪拌樁模量的增加而減小，并隨著距離路基中心線距離的增大而減小。

模量為最低的50 MPa時，路基沉降最大，為7.054 cm，而模量為200 MPa時，路基的最大沉降為6.031 cm。

從中可以看到，為了有效控制公路拓寬工程中的路基沉降問題，可以在施工過程中，有效控制水泥攪拌樁的模量，模量選擇越大，對于路基沉降的控制效果越好。

(2)攪拌樁樁間距的影響

攪拌樁的位置同樣能夠影響路基的沉降，分析樁間距的影響，選擇四個不同的樁間距，分別為1.0、1.5、2.0和2.5 m。維持模型其他參數(shù)不變，分析由于樁間距而造成的路基沉降情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 攪拌樁間距對于沉降的影響

圖2中可以看到，隨著樁間距的逐漸增大，路基的沉降逐漸上升，從路基中心至路基邊界出的沉降逐漸下降，可知其趨勢與上一節(jié)相同。

樁間距為最小的1.0 m時，路基沉降的最大值為6.452 cm，而樁間距為最大的2.5 m時，路基沉降的最大值為7.065，差距明顯。

從而可知，對于樁間距變化的情況下，路基沉降出現(xiàn)明顯不同。在施工的過程中，控制水泥攪拌樁的樁間距能夠有效影響路基的沉降情況。但是，當(dāng)原樁間距很小的情況下，進(jìn)一步縮小間距的效果會逐漸減弱，此時需要考慮采用其他的方法來改善路面沉降情況。

(3)攪拌樁長度對于路基沉降情況的影響

攪拌樁的長度同樣能夠?qū)τ诼坊某两登闆r產(chǎn)生影響，在不改變其他參數(shù)的條件下，改變攪拌樁的長度，分別選擇6、9、12和15 m四種攪拌樁長度，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 攪拌樁長度對沉降的影響

圖3中可以看到，對于不同的攪拌樁長度，盡管沉降的變化趨勢相同，均是隨著距離路基中心的距離增大而減小，但是路基的沉降情況還是出現(xiàn)了明顯的區(qū)別。攪拌樁長度越長，路基的沉降越少。對于攪拌樁長度為15 m的情況下，此時路基沉降的最大值為3.835 m。對于攪拌樁長度為最短的6 m情況時，此時路基最大沉降值為7.025 m。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看到，增加攪拌樁的長度能夠有效抑制路基出現(xiàn)的沉降情況，效果明顯，但水泥攪拌樁的長度越大，建設(shè)成本就會越高，因此在選擇路基沉降控制措施時，需要綜合考慮成本與沉降效果之間的平衡情況。

(4)路堤處的填土速率對于路基沉降的效果影響

為了分析不同的路堤填土速率對于整個公路路基沉降的影響，選擇四種不同的填土速率進(jìn)行橫向比較，不改變其他的仿真參數(shù)，選擇速率分別為1/10、1/15、1/20和1/25(m/d)，其數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 路基填土速率對于路基沉降的影響

圖4中可以看到，隨著填土速率的變化，路基沉降的效果出現(xiàn)很大的差異，隨著填土速率的增多，路基沉降最大值越來越大，填土速率為1 m/10 d時，路基沉降的最大值為6.835 cm，而填土速率為最小的1 m/25 d時，此時路基沉降的最大值下降為6.235 cm。

從而可以說明，對于不同的填土速率，路基沉降還是存在一定的變化，因此在施工過程中，需要控制路堤的填土速率。其主要原因在填土速率越快，路基土體固結(jié)的時間越小，從而使得路基沉降會越明顯，反之則會抑制路基沉降情況。但由于工期的限制，也不能無限期的減慢填土速率，因此需要在施工過程中，加以取舍和權(quán)衡。

在工程參數(shù)和工程成本的權(quán)衡之下，在滿足路基沉降基本在工程施工中，快速干道選擇的樁基參數(shù)分別為樁基模量為150 MPa，攪拌樁間距1.5 m，攪拌樁長度9 m，填土速率為1 m/15 d，最終路基沉降為5.528 cm，滿足既定工程要求。

3 結(jié) 論

針對軟土條件下的公路拓寬工程路基沉降的控制技術(shù)，分析了路基沉降的產(chǎn)生原因和加固措施，針對實(shí)驗(yàn)路段，采用水泥攪拌樁加固技術(shù)對路基進(jìn)行加固，分析水泥攪拌樁參數(shù)對于沉降結(jié)果的影響，從而實(shí)驗(yàn)結(jié)果上可以看到，水泥樁的模型、樁與樁之間的間距，樁體的長度等，均會對于路基的沉降造成明顯的影響，因此在路面的控制過程中，需要對參數(shù)進(jìn)行選擇，保證路面沉降的控制效果。路堤的填土速率等依然能夠影響路基沉降，因此也需要在建設(shè)工期和沉降控制方面進(jìn)行權(quán)衡，以獲得更好的路基沉降效果，維持路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。