左陸軍

山西省第二地質(zhì)工程勘察院，山西 臨汾 043000

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，城市道路工程的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。道路是一種三維線形構(gòu)筑物，沿線會(huì)穿過(guò)各種軟弱土層，這些軟弱土層往往含水量高、承載力性能差，如果處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致城市道路在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)路基沉陷、邊坡失穩(wěn)等各種病害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

1 沉降計(jì)算理論

相對(duì)于碎石、沙礫土等優(yōu)質(zhì)路基填料，軟土具有承載力低、含水率大、流變性明顯等特點(diǎn)，屬于不良地質(zhì)的范疇，不宜在軟土地基上直接分層填筑路基。在軟基上施工道路路基之前，必須先針對(duì)軟土地基采取合理的處理措施。

1.1 軟土固結(jié)理論

在進(jìn)行城市道路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，計(jì)算軟基變形數(shù)據(jù)需要采用“分層總和法”，其沉降變形基本可劃分為瞬時(shí)沉降（Sd）、主固結(jié)（Sc）和次固結(jié)（Ss）等多個(gè)階段。其中，Sd是在加載瞬間（t=0）出現(xiàn)的，此時(shí)超靜孔隙水壓力難以排出，外界荷載全部由水壓力承擔(dān)，土顆粒在這一過(guò)程中沒有產(chǎn)生任何作用，即使有形狀的變化，也對(duì)體積沒有影響。Sc是城市道路沉降的關(guān)鍵組成，可占軟基總沉降的80%以上。在主固結(jié)階段，受荷載因素的影響，土體會(huì)有較大變化，此時(shí)的水壓力會(huì)受固結(jié)時(shí)間（0＜t＜+∞）變化的影響而不斷消散，土地之間的孔隙也在不斷降低，承受壓力有所增加，此時(shí)土體的沉降變化就會(huì)變大，時(shí)間越長(zhǎng)，沉降量越大。Ss發(fā)生在主固結(jié)基本完成之后（t=+∞），土顆粒所承擔(dān)的有效應(yīng)力基本不再變化，土體產(chǎn)生蠕變而導(dǎo)致土體變形量繼續(xù)增加。

1.2 軟土屈服準(zhǔn)則

軟土地基的沉降計(jì)算可選擇Druker-Prager本構(gòu)關(guān)系，它在模擬巖土體變形時(shí)所需的參數(shù)容易測(cè)定，同時(shí)可以考慮填土的抗壓強(qiáng)度，還能夠解決摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則導(dǎo)數(shù)在節(jié)點(diǎn)處不連續(xù)的問(wèn)題。D-P準(zhǔn)則屈服時(shí)與破壞面函數(shù)為

式中：α、k為屈服材料常數(shù)；I1為第一應(yīng)力不變量；J2為第二偏應(yīng)力不變量；σ1為最大主應(yīng)力；σ2為中間主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力。

2 城市道路軟土地基常見處理方法

2.1 換填法

換填法在軟土地基處理中的應(yīng)用十分廣泛，該方法是將地基中的軟土挖除，再分層回填壓實(shí)強(qiáng)度大、顆粒級(jí)配良好、透水性好的砂石料作為路基持力層。換填法施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但處理軟基的深度一般≤3m。經(jīng)過(guò)換填法處理的軟土地基的物理力學(xué)性能明顯提高，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是地基沉降量減少，換填處理后軟基密實(shí)度高，能夠更好地?cái)U(kuò)散施加在土基上的荷載，以減小軟基變形；二是加快地基排水固結(jié)，砂石料孔隙大、透水性較好，土層間水壓力消散速度快，能加速軟基的排水固結(jié)。

2.2 注漿法

注漿法就是將能固化的漿液通過(guò)注漿孔注入軟土地基中，并通過(guò)擠壓周圍土體來(lái)改善軟土的強(qiáng)度指標(biāo)，提高其承載能力和施工質(zhì)量。軟土地基常見注漿材料包括水泥漿、硅化液、堿液等，注漿液具體用量Q可參考下式計(jì)算：

式中：V為待處理軟土的體積，m3；n為軟土孔隙率，%；d為注漿液的相對(duì)密度，無(wú)量綱；α為孔隙填充系數(shù)，與土體性質(zhì)有關(guān)，一般取0.6～0.8。

2.3 拋石擠淤法

拋石擠淤法是向原淤泥面拋填石料，利用石料的重力將淤泥擠開，并破壞其原有土顆粒結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)在原有位置形成硬殼層，提高軟土地基的強(qiáng)度與承載力，以便后期路基填筑施工。拋石擠淤法主要適用于常年積水、軟土厚度不大的路段，但是由于清淤不徹底，一般不用于低路堤及高等級(jí)公路。在進(jìn)行拋石擠淤法施工時(shí)，一般先沿著路基中線拋填石塊，隨后逐漸向道路兩側(cè)擴(kuò)展。但是如果軟土地基橫坡較大，向道路拋填石塊時(shí)應(yīng)從高點(diǎn)向低點(diǎn)擴(kuò)展，石料拋填厚度應(yīng)超出設(shè)計(jì)水位至少50cm，并沖擊碾壓密實(shí)，然后在石料表面鋪一層反濾層，再填筑路基。

2.4 水泥攪拌樁

水泥在軟土地基中攪拌形成復(fù)合地基，此時(shí)原軟弱土層可劃分成加固區(qū)和非加固區(qū)。根據(jù)施工方法的不同，水泥土攪拌樁有噴漿型、噴粉型，其中噴漿型攪拌樁施工較為簡(jiǎn)單，只需在軟土地基中拌入一定配合比的水泥漿，將水泥漿攪拌均勻即可；而噴粉型在施工過(guò)程中不僅需要借助機(jī)械設(shè)備充分?jǐn)嚢杷喾垠w，還要壓縮空氣將粉體噴灑進(jìn)軟基中，并依靠機(jī)械鉆頭或翼片將水泥粉和軟土均勻混合，從而形成具有一定強(qiáng)度和承載能力的粉噴樁。相關(guān)研究表明，影響水泥攪拌樁加固效果的因素包括內(nèi)因和外因，如表1所示。

表1 水泥攪拌樁加固效果影響因素

3 市政道路軟土地基處理后的沉降變化

3.1 工程概況及計(jì)算模型建立

擬利用有限元軟件PLAXI8.0分析軟土地基的沉降變形規(guī)律及加固效果，研究對(duì)象為某城市主干路。路線全長(zhǎng)為8.5km，路線起訖樁號(hào)為K2+360～K10+860，橫斷面寬度為30m。沿線的路面土質(zhì)較軟，有淤泥等部分軟土層，這使得原本土質(zhì)狀態(tài)下承載能力較差，無(wú)法達(dá)到路基填筑的要求。在實(shí)際操作過(guò)程中，需要添加水泥攪拌加固，按照梅花形布置，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)12m、樁間距1.5m、樁直徑0.6m。計(jì)算斷面選擇樁號(hào)K5+690，模型中路堤邊坡最大高度為16m，另外使用碎石土進(jìn)行填筑，共分為兩層，每級(jí)填土高度是8m，邊坡從上至下坡比分別為1∶1.5、1∶1.75，平臺(tái)寬2m。地基土層分兩層，分別為11m淤泥/淤泥質(zhì)土和基巖。填料和地基土計(jì)算指標(biāo)如表2所示。計(jì)算模型底部為不透水邊界，并對(duì)其X方向、Y方向、Z方向完全約束；路堤頂部和邊坡坡面為自由邊界，可發(fā)生豎向壓縮變形和水平位移；地基進(jìn)行X方向約束，只產(chǎn)生豎向壓縮變形。同時(shí)，在充分考慮了土質(zhì)影響下路基沉降的精準(zhǔn)度以及計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的情況下，利用PLAXI8.0中的PLANE42單元對(duì)路基進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸一般選1.5m，對(duì)需要用水泥攪拌樁加固的部分網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格尺寸選1m，共劃分出單元1876個(gè)、節(jié)點(diǎn)2288個(gè)。還需要注意的是，土質(zhì)結(jié)構(gòu)本身材料硬度與水泥攪拌樁本身的硬度相差較大，不適合D-P屈服準(zhǔn)則，可用采用科學(xué)的線彈性計(jì)算模型。樁-土接觸面采用罰函數(shù)模擬。

表2 填料和地基土計(jì)算指標(biāo)

3.2 軟土地基沉降計(jì)算結(jié)果

從項(xiàng)目建設(shè)道路的中心線開始測(cè)繪，每隔2m需要布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這樣可以快速得出軟土路基加固前后各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓縮變形大小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，城市道路軟土地基的變形與距離地基中心的距離有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，中心處變形最大，而距離中心處越近，地基的沉降量越小，但是同時(shí)中心處變化速率很慢，距離中心處越近會(huì)越慢，而距離較遠(yuǎn)時(shí)，變化速率越快。在沒有處理軟基之前，地基最大沉降量為22.6cm；在經(jīng)過(guò)水泥攪拌樁加固之后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量降低，最大沉降量為5.4cm，減小了76.1%。由此說(shuō)明，使用水泥攪拌樁法，軟土的承載能力和整體穩(wěn)定性都有一定提高。

4 結(jié)論

文章總結(jié)了城市道路軟土地基常見處理措施，并利用有限元軟件PLAXI8.0計(jì)算出城市道路軟基沉降規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：（1）軟土地基具有承載力低、含水率高、流變性明顯等特點(diǎn)，常見的處理方法有換填法、注漿加固法、拋石擠淤法、水泥攪拌樁等；（2）受時(shí)間因素影響，軟土地基的沉降不斷變化，主要有瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降這三個(gè)階段；（3）水泥攪拌樁法加固的效果比較明顯，在經(jīng)過(guò)加固后，檢測(cè)到的沉降量數(shù)據(jù)都降低了，軟土的承載能力和整體穩(wěn)定性都有了一定提升。