葉妙寶

（安徽省城建設計研究總院股份有限公司，合肥230051）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的發(fā)展和基礎交通設施的不斷完善，城市道路的建設步伐也日益加快，同時對道路質量控制也更加嚴格。在城市道路建設中，往往不可避免地會遇到軟土加固問題。相比于一般路段而言，軟土地基具有含水量高、抗剪強度低、壓縮性大等特點【1】。如果地基處理方案設計不合理，往往會引起設計返工、設計質量下降、工期推遲等問題，嚴重的可能造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。目前，國內外學者也針對市政道路軟土地基處理展開了一些研究，如劉光明【2】結合城市道路工程案例，歸納了軟土地基道路常規(guī)處置方法，并利用室內模型試驗研究了軟土地基換填處理后的沉降變形規(guī)律、影響因素等；劉小高等【3】提出了“多元復合地基”的概念，并以福建平潭市政道路為研究對象，采用泥攪拌樁-CFG 樁耦合處理方法，不僅能確保地基沉降符合規(guī)范要求，還大大節(jié)約了地基處理造價；吳王剛等【4】以成都天府國際機場為工程依托，選擇雙曲線法和指數(shù)法對其試驗段監(jiān)測點數(shù)據(jù)開展沉降量預測，并認為雙曲線法預測精度較高，指數(shù)曲線法不宜用于長時間序列沉降分析。因此，研究城市道路軟土地基處理技術具有十分重要的工程意義。

2 工程概況及地基處理方案選擇

2.1 依托項目簡介

本文以安徽某城市快速路為研究對象，對軟土地基的處理沉降分析展開研究，該道路全場18.7km（含1 處互通立交），路線起訖樁號為ZK6+000～ZK24+700，設計標準是雙向6 車道，路基寬度為48m，設計速度為100km/h，路拱橫坡為2%，最大縱坡為0.6%，路面結構采用透水型瀝青混凝土，其標準橫斷面布置形式為：3.5m（人行道）+5.5m（非機動車道）+1.5m（兩側分車帶）+11.5m（機動車道）+4m（中央分車帶）+11.5m（機動車道）+1.5m（兩側分車帶）+5.5m（非機動車道)+3.5m（人行道）。

該道路工程沿線的特殊性巖土主要為軟土、填土、可溶性巖石等，其中軟弱土深度較大，以淤泥、淤泥質土，有機質土，軟塑～流塑狀態(tài)黏性土及松散～稍密狀態(tài)的大面積人工填筑土及松散狀態(tài)粉細砂次之，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、透水性差、靈敏度高、承載力低等特點。同時，軟土地基承載力不滿足路基填筑要求，需要進行處理。

2.2 軟土地基處治措施確定

2.2.1 軟土地基沉降原理

如果城市道路建設期間遇到軟土地基處理不當，路基填筑后可能導致地基出現(xiàn)較大沉降。在路基填土作用下，軟土地基沉降一般分為初始沉降、固結沉降和次固結沉降3個階段【5】。此時，軟土地基的總沉降變形計算如式（1）：

式中，Sd為初始沉降；Ss為固結沉降；Sc為次固結沉降。

在外荷載作用下軟土地基的3 種變形模式皆有可能出現(xiàn)，其中，固結沉降是軟土地基沉降變形的主體組成部分，一般是因為軟土地基土顆粒在外荷載作用下孔隙壓縮，孔隙水被排出導致土體體積壓縮變形。

2.2.2 地基處理技術選擇

目前，城市道路軟土地基處理常用方法主要有換填、強夯、拋石擠淤、真空預壓、水泥攪拌樁、碎石樁等方法，各種軟土地基的處理方法特點見表1。

表1 軟土地基處理方法特點對比

在進行城市道路軟基地基處理方法選擇時主要考慮地基狀況、道路功能及等級、施工條件以及工程造價等因素【6】。鑒于此，該城市道路軟土地基處理措施：如果地基軟土深度小于3m，對一般路段將基底軟土全部清除，換填透水性好的碎（礫）石土。如果軟土路段存在積水，應當先設置臨時圍堰，排干圍堰積水后再處理軟基；如果地基軟土深度超過15m，采用CFG樁復合地基進行處理。

3 CFG樁復合地基設計及有限元模型建立

3.1 CFG樁幾何參數(shù)確定

3.1.1 樁徑、樁間距確定

查閱相關規(guī)范得到，CFG 樁的樁徑宜選擇在350～600mm。根據(jù)相關研究成果可知【7】：如果CFG 樁的樁徑過小會對控制質量產(chǎn)生一定程度的不利影響；CFG 樁的樁徑過大會導致工程造價高，且無法確保樁土協(xié)調，故將CFG 樁樁徑定為450mm。

在其他控制因素均相同時，隨著樁間距的減小，CFG 樁承載性能會不斷改善。如果樁間距小于3 倍樁徑時，CFG 樁承載力的增長速率可能出現(xiàn)一定程度的降低。因此，通過綜合考慮CFG 樁承載力、施工工藝、工程造價等因素，確定CFG 樁按照正三角形布置、樁間距為4 倍樁徑大小，即樁間距取1.8m。

3.1.2 面積置換率估算

CFG 樁土復合地基的面積置換率是指豎向增強體的橫斷面積與其所承擔的復合地基面積的比值，可通過式（2）來計算：

式中，d 為樁的直徑，m，de為樁的等效直徑，m。

代入數(shù)據(jù)可得，該項目CFG 樁的面積置換率為0.045。

3.2 CFG樁路基有限元計算模型建立

在巖土工程領域，巖土應力-應變關系是高度非線性的，且存在土體和結構相互耦合問題，傳統(tǒng)的計算方法無法真實反映地基的受力變形狀態(tài)。由于軟土地基沉降以固結沉降為主，初始沉降和次固結沉降可忽略不計，故筆者以樁號ZK6+378 典型斷面路基（軟土地基平均厚度大于15m）為研究對象，利用有限元軟件PLAXIS8.0 建立路基模型，對地基處理前后的路基固結沉降變形規(guī)律及影響因素進行了分析。

3.2.1 PLAXIS8.0 軟件功能簡介

PLAXI8.0 是由荷蘭PLAXIS B.V. 公司研發(fā)的一款通用巖土有限元計算軟件，已廣泛應用于板樁碼頭應力變形分析、軟土地基固結排水分析、基坑降水滲流分析、邊坡開挖及加固后穩(wěn)定性分析等領域。PLAXIS8.0 內置多種巖土構模型，能夠模擬土體、巖石等材料的受力變形特性，具有功能全面、計算高效等優(yōu)勢。其求解流程一般如下：建立幾何模型→材料參數(shù)輸入和單元屬性定義→網(wǎng)格劃分→設定邊界條件→計算→結果分析。

3.2.2 模型參數(shù)確定

根據(jù)該城市快速路軟土地基的巖土勘察報告將該段路基土體共分為2 層，從上至下分別是粉質黏土、軟土，各土層的物理力學參數(shù)如表2 所示。

表2 軟土地基各土層物理力學參數(shù)

PLAXI8.0 中的板單元能夠模擬沿z 方向延伸的擋土墻、板、殼體等，其最關鍵參數(shù)是抗彎剛度EI 和軸向剛度EA【8】。筆者用板單元來模擬地層中的CFG 樁，EI 和EA 分別取6×104kPa/m2，2.8×106kN/m。

3.2.3 有限元模型網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分是影響結構的計算精度和計算規(guī)模關鍵因素之一，路基和地基土模型均采用2D 實體單元。該單元為6節(jié)點四面體單元，精度高，其中路堤網(wǎng)格大小為0.1m，地基土網(wǎng)格網(wǎng)格大小為0.5m，共劃分出3874個，節(jié)點4638個。地基土及路基網(wǎng)格劃分情況見圖1。

圖1 軟土地基有限元模型及網(wǎng)格劃分

在利用PLAXIS8.0 計算時，軟土地基計算沉降采用的本構關系是摩爾-庫倫屈服準則【9】，并做出以下假設：（1）由于路基橫斷面的對稱性，建立模型取半幅路基；（2）路基模型的左右邊界采用水平約束，底部邊界采用完全約束；（3）地下水位較低，忽略其影響；（4）CFG 樁和土體之間的接觸選擇Interface Element 單元模擬。

4 軟土地基處理前后計算結果分析

4.1 地基孔隙水壓力分析

PLAXIS8.0 計算得到的未處理和CFG 處理后的軟土地基空隙水壓力大小如圖2 所示，其中，“＋”符號表示空隙水壓力，“＋”的密度越大，地基土的空隙水壓力越大。計算結果表明：未處理的軟土地基，空隙水壓力分布較為集中，孔隙水壓力較大；CFG 樁處理軟土地基后，空隙水壓力的分布比較分散，孔隙水壓力較小。同時，CFG 樁處理后，復合地基體縫隙增加，能充分發(fā)揮其滲透性，并加快軟土地基固結速度，從而確保路基固結沉降在施工期間完成，減小路基工后沉降。

圖2 CFG樁處理后軟土地基孔隙水壓力

4.2 路基沉降分析

利用PLAXIS8.0 軟件計算軟土地基沉降時，在距離路基中心不同位置選擇6個監(jiān)測點對其沉降進行了監(jiān)測，得到了軟土地基處理前后沉降變形趨勢見圖3。

圖3 軟土地基處理前后沉降變形規(guī)律

由圖3 可知，軟土地基經(jīng)CFG 樁處理后，沉降量有明顯減小。路基填筑完成后，地基處理前后中心單元沉降平均值分別為80.2mm 和61.3mm。隨著監(jiān)測點距路基中心距離的增加，其沉降量逐漸減小，且減小速率呈增大趨勢。這表明軟土地基經(jīng)CFG 樁處理后承載能力得到增加，并提高了地基的整體穩(wěn)定性，使地基土在相同荷載作用下沉降量不斷減小。

與此同時，該城市道路項目地基中心沉降實測數(shù)據(jù)沉降為83.04mm，與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)基本誤差在工程允許范圍內，可知用PLAXIS8.0 軟件來計算軟土地基沉降是可行的。

5 結語

本文以安徽某城市快速路樁號ZK6+378 典型斷面軟土地基為研究對象，利用有限元軟件PLAXIS8.0 軟件對軟土地基CFG 樁復合地基設計、沉降機理及規(guī)律等方面展開了研究。主要得到以下結論：

1）城市道路軟土地基處理方法主要有換填、強夯、拋石擠淤、真空預壓、CFG 樁等，在選擇時要綜合考慮其適用范圍、處治深度、道路性質、施工條件等因素。

2）PLAXIS8.0 計算軟土地基沉降流程為：建立幾何模型→材料參數(shù)輸入和單元屬性定義→網(wǎng)格劃分→設定邊界條件→計算→結果分析。

3）CFG 樁處理軟土地基后，空隙水壓力不斷降低，并能充分發(fā)揮樁土復合地基的滲透性，加快軟土地基固結速度，減小路基工后沉降。

4）軟土地基經(jīng)CFG 樁處理后承載能力得到增加，使地基土在相同荷載作用沉降量不斷減小。且距路基中心越近，地基沉降量越大。