■李宇佳

（長治市至誠公路監(jiān)理檢測有限公司，長治 046000）

黃土在我國分布廣泛， 由于受到形成原因、氣候等因素影響，約60%的黃土具有濕陷性。 當濕陷性黃土含水量超過一定值[1]，在外部荷載作用下就會產生塌陷，而以濕陷性黃土作為地基的公路結構也會出現(xiàn)相應的變形破壞。 濕陷性黃土處置不當會使路基出現(xiàn)不均勻沉降、沉陷等病害[3-4]，破壞道路結構，影響安全行車。 為了消除黃土的濕陷性，可根據施工現(xiàn)場地質調查結果確定處置方案，常用的方法有翻壓法、擠密樁法、CFG 樁等[2]。 國內外學者和工程技術人員經過多年的研究和實踐，積累了大量實踐經驗，并總結得出了較為完善的濕陷性黃土處置方案。 然而，由于各個地區(qū)地質條件差異較大，不同處置方法的施工成本也存在一定差異，必須根據現(xiàn)場地質條件調整施工參數，合理確定處置方案。為確定最佳的處置方案，本文以某高速公路濕陷性黃土地基處置作為研究背景，利用有限元對比分析采用翻壓法和灰土擠密樁2 種方法的處置效果，在綜合考慮各方面因素的情況下合理選擇處置方案。

1 依托項目濕陷性黃土地基概況

某高速公路建設項目沿線分布有大量濕陷性黃土地基，路基設計寬度為24.5 m。 該地區(qū)全年降雨主要集中在雨季，7—9 月降雨量較大， 其他月份降雨量較少；晝夜溫差較大，偶有雨雪冰雹等災害性天氣，夏季炎熱，冬季寒冷，四季分明。 施工區(qū)域地處黃土高原，受河水沖蝕作用，溝壑縱橫，地形起伏高度較大，沿線最大高差約為350 m。其中K14+205～K22+526 段、K33+152 ～K37+355 段 和K46+338～K49+796 段為濕陷性黃土地基，特別是K33+152～K37+355 段為黃土丘陵地貌，地形起伏不大，地質條件較差。該路段地基土上層為第四系上更新統(tǒng)黃土，下伏老黃土，未浸水狀態(tài)下質地堅硬，經現(xiàn)場取樣進行室內試驗得出黃土濕陷性系數在0.07～0.08，δzs＜0.015，斷濕陷等級為Ⅱ級非自重性濕陷性黃土，具中壓縮性，濕陷性等級較高。 綜合考慮各方施工因素，擬采用翻壓法和灰土擠密法2 種方案進行處置。

2 有限元模型建立

2.1 建立幾何模型

本文選取地質條件較差的K34+100～K34+200段濕陷性黃土地基作為研究對象，根據翻壓法和灰土擠密樁處置施工參數，建立幾何模型。 翻壓處置開挖后在地基土內部摻入8%的石灰，并反復碾壓至壓實度達到96%以上。 灰土擠密樁設計樁徑為0.5 m，樁身采用3∶7 灰土，以正三角形間距1 m 布置，樁長為5～7 m，具體根據現(xiàn)場濕陷性黃土厚度確定。 考慮到路基沿中線對稱[5]，為了減少計算工作量，只取一半路基建立幾何模型，路基寬度為12.25 m、路堤填方高度為5 m，邊坡坡度為1∶1.5，地基寬度為50 m，計算深度為20 m，建立幾何模型如圖1 所示。

圖1 路基幾何模型

2.2 材料參數

根據設計文件和現(xiàn)場地質勘察報告[6]，確定模型各部分計算參數（表1）。

表1 模型各部分計算參數

2.3 邊界約束條件

本文主要研究采用翻壓法和灰土擠密樁2 種方法處置后濕陷性黃土地基的沉降情況，分析確定模型邊界約束條件為：模型底部全約束，模型頂部自由；模型4 個側面Z 方向自由，X、Y 方向約束。

3 有限元模擬結果對比分析

3.1 地基沉降對比分析

3.1.1 翻壓法處置地基沉降計算結果

通過模擬路堤填筑過程，隨路堤填筑高度的增加填土荷載也隨之增加，按照逐級加載的方式計算地基沉降量。 為分析翻壓法對黃土濕陷性的消除效果， 分浸水和未浸水2 種工況計算地基沉降量，整理數據繪制不同工況路基沉降云圖和不同部位地基沉降變化曲線如圖2、3 所示。

分析圖2 和圖3 可知，在未浸水工況下地基沉降量較小，浸水后地基沉降量明顯增加，說明浸水后地基土仍會產生較大的濕陷變形。 未浸水路基中心位置沉降量最大， 隨距路基中線距離增加而下降，基本呈現(xiàn)線性下降的變化趨勢。 浸水后地基沉降出現(xiàn)了較大變化，沉降量最大值出現(xiàn)在距路基中心線約9 m 的位置，地基沉降大體呈現(xiàn)“V”字形。未浸水地基沉降最大值為17.32 cm，浸水后地基沉降最大值為24.61 cm，沉降量增加了7.29 cm，浸水后仍產生了較大的沉降，說明采用翻壓法處置后地基土仍具有一定的濕陷性。

圖3 地基沉降變化曲線

3.1.2 灰土擠密樁處置地基沉降計算結果分析

同樣按照上述加載方式，對采用灰土擠密樁處置后的濕陷性黃土地基沉降進行模擬計算。 在未浸水和浸水2 種工況下計算地基沉降量，得出地基沉降云圖和地基沉降曲線如圖4、5 所示。

圖4 不同工況地基沉降云圖

圖5 地基沉降變化曲線

分析圖4、5 可知，在未浸水和浸水2 種工況下地基沉降量略有差異， 但浸水后沉降增加幅度較小，且地基沉降總體變化趨勢相近。2 種工況下地基沉降量最大值均出現(xiàn)在路基中線位置，未浸水工況下沉降量最大值為14.34 cm，浸水工況下沉降量最大值為15.98 cm，浸水后沉降量增加了1.64 cm，沉降量增幅較小，說明采用灰土擠密樁有效消除了地基土的濕陷性，提高了地基的穩(wěn)定性。

3.1.3 2 種方法地基沉降對比分析

采用翻壓法在未浸水工況下地基最大沉降出現(xiàn)在路基中線位置，沉降最大值為17.32 cm；采用灰土擠密樁處置最大沉降量為14.34 cm，兩者位置相同，沉降量相差2.98 cm，相差不大。 浸水后采用翻壓法處置地基沉降最大值出現(xiàn)在距路基中線9 m位置，最大沉降量為24.61 cm；而采用灰土擠密樁處置地基浸水后最大沉降值仍出現(xiàn)在路基中線位置，最大沉降量為15.98 cm，兩者相差8.63 cm，相差較大，說明采用灰土擠密樁處置可有效消除地基土的濕陷性，降低地基沉降，提高路基穩(wěn)定性。

3.2 地基沉降不均勻性對比分析

3.2.1 翻壓處置地基沉降不均勻性計算結果

濕陷性黃土地基由于受到地下水、外部荷載等因素的影響，容易產生不同程度的不均勻沉降。 為了確定2 種方法對濕陷性黃土地基的處置效果，分別在1/2 滲水、2/3 滲水和全滲水3 種工況下對地基的不均勻沉降進行計算， 對比分析確定最優(yōu)方案。對翻壓處置路段進行模擬分析，整理計算結果繪制不同工況下地基沉降變化曲線如圖6 所示。

圖6 不同工況下地基沉降變化曲線

分析圖6 沉降曲線變化趨勢，可以得出隨滲水量的增加，地基各部位沉降量隨之增加，地基在翻壓處置后仍存在不均勻沉降，且隨滲水量的增加不均勻沉降幅度越大。在1/2 滲水工況下，距路基中線約9 m 位置出現(xiàn)了小幅度的不均勻沉降； 在2/3 滲水工況下，距路基中線約8 m 位置出現(xiàn)了小幅度的不均勻沉降；在全滲水工況下，在距路基中線約9 m位置出現(xiàn)了嚴重的不均勻沉降，地基變形嚴重，與路基中線位置最大沉降差為7.51 cm。 根據上述分析結果，得出隨滲水量的增加翻壓處置后的濕陷性黃土地基仍會產生不均勻沉降，說明采用翻壓處理對地基不均勻沉降的控制效果一般。

3.2.2 灰土擠密樁處置地基沉降不均勻性計算結果

同樣在1/2 滲水、2/3 滲水和全滲水3 種工況下對灰土擠密樁處置的地基不均勻沉降進行計算，整理計算結果， 繪制不同工況下地基沉降變化曲線，如圖7 所示。

圖7 不同工況下地基沉降變化曲線

分析圖7 沉降曲線變化趨勢，可以得出隨滲水量的增加，地基沉降量隨之增加，從1/2 滲水到2/3滲水工況，沉降增加幅度較大，從2/3 滲水到全滲水工況，沉降量增加幅度較小，未出現(xiàn)不均勻沉降情況。 在3 種工況下，沉降量最大位置均出現(xiàn)在路基中線位置， 隨距路基中線距離的增加均勻下降，且最大沉降量遠小于翻壓法處置地基，說明采用灰土擠密樁處置后地基結構穩(wěn)定， 沒有產生不均勻沉降，進一步說明灰土擠密樁處置效果可有效消除地基土的濕陷性。

3.3 現(xiàn)場沉降監(jiān)測結果分析

以K34+100～K34+200 段為試驗段， 按照上述灰土擠密樁設計參數進行施工，完工后在地基頂部布設沉降管，在路基填筑過程中對全斷面沉降進行監(jiān)測。每20 m 布置1 個監(jiān)測斷面，試驗段共設置5 個監(jiān)測斷面。本文取沉降量最大的K34+140 段作為研究對象，沉降監(jiān)測周期為6 個月，分別取監(jiān)測前期和后期各2 次監(jiān)測結果，收集監(jiān)測數據繪制沉降變化曲線如圖8 所示。

圖8 K34+140 全斷面沉降變化曲線

分析圖8 沉降曲線變化趨勢可知，監(jiān)測沉降量前期隨時間增加增幅較大，后期增幅很小，路基中線部位沉降量最大，向兩側路肩沉降量逐步縮小，最終沉降量較小，未出現(xiàn)不均勻沉降。 前2 次監(jiān)測處于施工階段，路基沉降量增幅較大，后2 次路基填筑施工完成，沉降逐步穩(wěn)定。 最后1 次沉降監(jiān)測路基中線位置沉降量為18.62 cm，沉降量較小。 路基各部位沉降量變化均勻，沒有出現(xiàn)不均勻沉降，說明處置后地基結構穩(wěn)定。 與上述有限元計算結果一致，說明數值模擬分析結果準確，可作為確定濕陷性黃土地基處置最優(yōu)方案的依據。

4 結語

利用有限元進行數值模擬，對翻壓法和灰土擠密樁處置后的濕陷性黃土地基沉降計算結果進行對比分析，并結合現(xiàn)場監(jiān)測結果確定最優(yōu)施工方案，得出以下結論：（1）在未浸水工況下采用2 種方法處置后地基沉降相差不大，但浸水后采用灰土擠密樁處置的地基沉降量明顯低于翻壓法，說明采用灰土擠密樁處置效果更好， 可有效控制地基沉降；（2）在3 種工況下，采用翻壓法處置的地基均出現(xiàn)了不同程度的不均勻沉降，而采用灰土擠密樁處置后沒有出現(xiàn)不均勻沉降，且地基沉降量也較小，進一步說明灰土擠密樁處置效果更好；（3）現(xiàn)場監(jiān)測結果表明路基填筑完成后地基沉降量逐步穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)不均勻沉降，與有限元計算結果一致，說明灰土擠密樁處置方案合理。