王福滿　孫珂　胡志文

摘要 為研究高速公路軟土路基沉降變形及加固措施優(yōu)化，文章以山東某高速公路為背景，基于數(shù)值模擬軟件，分析不同水泥攪拌樁的彈性模量、樁長、路堤施工間隔時(shí)間等條件下路基頂面沉降量的變化規(guī)律，最后比較三種因素對(duì)路基中心處沉降量的控制效果及性價(jià)比。研究結(jié)果表明：（1）水泥攪拌樁的彈性模量越大、樁長越長、路堤施工間隔時(shí)間越長、距路基中心線距離越遠(yuǎn)，路基頂面沉降量越?。唬?）增大彈性模量、增大樁長、增加施工間隔時(shí)間對(duì)沉降控制效果平均為6.24%/20 MPa（以水泥攪拌樁的彈性模量為80 MPa為基準(zhǔn)，彈性模量每增大20 MPa，路基頂面沉降量減小6.24%）、17.39%/2 m（以水泥攪拌樁的樁長8 m為基準(zhǔn)）、6.48%/10 d（以路堤施工間隔10 d為基準(zhǔn)），說明樁長的性價(jià)比最高，因此首先考慮增大樁長的方案。

關(guān)鍵詞 高速公路；軟土路基；數(shù)值模擬；水泥攪拌樁；加固措施優(yōu)化

中圖分類號(hào) U416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0139-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，部分城市道路逐漸趨于飽和。為滿足日常需求，避免交通堵塞，需加快基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)[1]，但在道路施工過程中需額外注意路基沉降及加固問題。路基沉降會(huì)導(dǎo)致路面局部塌陷、路面裂縫等病害發(fā)生，嚴(yán)重影響行車安全，縮短道路使用壽命[2]。因此，亟需開展路面沉降變形及加固措施的優(yōu)化研究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對(duì)路面沉降變形及加固措施開展了一系列研究，張建[3]基于PLAXIS有限元軟件，闡述了水泥攪拌樁、CFG樁、預(yù)應(yīng)力混凝土樁等加固方案的工程特點(diǎn)，并研究了CFG樁樁間距、樁長對(duì)軟土路基沉降的控制效果；郭昌龍[4]基于數(shù)值模擬軟件，研究了水泥攪拌樁對(duì)軟土路基沉降量的影響，并分析了水泥攪拌樁樁體模量、樁間距等參數(shù)對(duì)沉降控制效果的影響；堯強(qiáng)[5]闡述了土工格柵的加固機(jī)理，并對(duì)土工格柵的施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了研究；曹征磊[6]總結(jié)了常用的公路軟土路基處理技術(shù)，對(duì)每種技術(shù)提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制措施；張佳佳[7]分析了高壓旋噴樁技術(shù)對(duì)高速公路軟弱路基沉降的控制效果，并研究了土體壓力、孔隙水壓力、位移等變化規(guī)律。綜上所述，軟土路基易發(fā)生沉降病害，施工過程中應(yīng)執(zhí)行科學(xué)合理的路基加固方案，但對(duì)軟土路基加固方案的優(yōu)化研究較少。

鑒于此，該文以山東某高速為研究背景，基于FLAC3D有限元軟件，研究水泥攪拌樁的物理力學(xué)參數(shù)及路堤分層鋪設(shè)等對(duì)路基頂面沉降量的影響，最后分析不同水泥攪拌樁的彈性模量、樁長、路堤施工間隔時(shí)間等三種因素，對(duì)路基中心處沉降量的控制效果，比較其性價(jià)比，為工程路基加固方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

擬建道路地處黃河沖積平原，上部地層整體土質(zhì)偏軟。根據(jù)地質(zhì)鉆探揭露情況，沿線一定線路范圍內(nèi)局部存在物理力學(xué)性質(zhì)不均一、土質(zhì)較差的軟弱土層，多呈透鏡體狀零星分布，軟土的埋深不一；多為灰黑色、灰褐色、淺灰色的黏土、粉質(zhì)黏土、粉土；呈軟塑-可塑狀態(tài)，具有干強(qiáng)度較低、韌性較差、局部有機(jī)質(zhì)含量較高、物理力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、壓縮性高等特點(diǎn)；壓縮系數(shù)為0.45～0.70 MPa?1，孔隙比為0.95～1.20，天然含水率大于35%。

2 數(shù)值模型的建立

該文以山東某高速為研究背景，基于FLAC3D有限元軟件，由于道路為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取右側(cè)建立數(shù)值模型。模型由路面、路堤、沙墊層、土工格柵及粉質(zhì)黏土層等組成，如圖1所示。

由圖1可知，路面寬為18 m，路堤坡度為1∶1.5，路堤高為5 m；路堤與粉質(zhì)黏土地基之間鋪設(shè)0.5 m厚的沙墊層，沙墊層下方鋪設(shè)0.5 m厚的土工格柵，間隔0.5 m鋪設(shè)第二層0.5 m厚的土工格柵；第二層土工格柵下方設(shè)置長為8 m、樁徑為0.5 m、間隔為1.5 m的水泥攪拌樁群；粉質(zhì)黏土地基由3種不同性質(zhì)土層組成，地基長為50 m，高位為20 m，粉質(zhì)黏土1高度設(shè)置為3 m，粉質(zhì)黏土2高度設(shè)置為7 m，粉質(zhì)黏土3高度設(shè)置為10 m；路堤分4層鋪設(shè)，相鄰層間的鋪設(shè)間歇為10 d。模型結(jié)構(gòu)具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 水泥攪拌樁模量的影響

為研究水泥攪拌樁模量對(duì)路基沉降的控制效果，該文設(shè)置了4種模量梯度：80 MPa、100 MPa、120 MPa、140 MPa，其余數(shù)據(jù)不變，得到沿路基頂面沉降量隨彈性模量變化如圖2所示。

由圖2可知，路基頂面沉降隨著距路基中心線距離的增大而逐漸減小。彈性模量為80 MPa時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從10.15 cm減小到4.98 cm，減小了50.94%；彈性模量為100 MPa時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從9.36 cm減小到4.51 cm，減小了51.82%；彈性模量為120 MPa時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.91 cm減小到4.36 cm，減小了51.07%；彈性模量為140 MPa時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.68 cm減小到4.14 cm，減小了52.30%。隨著彈性模量的增大，路基頂面各點(diǎn)沉降量在逐漸降低，如距路基中心線距離為10 m，彈性模量80 MPa、100 MPa、120 MPa、140 MPa對(duì)應(yīng)的沉降量分別為8.63 cm、8.03 cm、7.68 cm、7.38 cm。彈性模量的沉降控制效果在逐漸減弱，如路基中心處，沉降控制效果大小為3.89%/10 MPa（彈性模量為100 MPa）＞3.05%/10 MPa（彈性模量為120 MPa）＞2.41%/10 MPa（彈性模量為140 MPa），發(fā)現(xiàn)彈性模量為100 MPa較80 MPa的沉降控制效果明顯，但與120 MPa、140 MPa的沉降控制效果差別不大，故彈性模量應(yīng)選取100 MPa。

3.2 水泥攪拌樁長度的影響

為研究水泥攪拌樁長度對(duì)路基沉降的控制效果，該文設(shè)置了4種長度梯度：8 m、10 m、12 m、14 m，其余數(shù)據(jù)不變，得到沿路基頂面沉降量隨樁長變化如圖3所示。

由圖3可知，路基頂面沉降隨距路基中心線距離的增大而逐漸減小。樁長為8 m時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從10.15 cm減小到

4.98 cm，減小了50.94%；樁長為10 m時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.47 cm減小到3.79 cm，減小了55.25%；樁長為12 m時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從6.55 cm減小到2.62 cm，減小了60.00%；樁長為14 m時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從4.71 cm減小到2.19 cm，減小了53.50%。這說明樁長對(duì)沉降量的控制效果顯著，樁長14 m方案較樁長8 m方案對(duì)路基頂面0～18 m沉降控制效果更好。隨著樁長的增大，路基頂面各點(diǎn)沉降量在逐漸降低，如距路基中心線距離為10 m，樁長8 m、10 m、12 m、14 m對(duì)應(yīng)的沉降量分別為8.63 cm、7.17 cm、5.57 cm、3.82 cm，其余3種方案較樁長8 m方案，沉降量分別減小了16.92%、35.46%、55.74%。說明樁長較彈性模量對(duì)路基頂面沉降控制效果更顯著。

3.3 路堤施工間歇時(shí)間的影響

為研究路堤施工間歇時(shí)間對(duì)路基沉降的控制效果，該文設(shè)置了3種間歇時(shí)間梯度：10 d、20 d、30 d，其余數(shù)據(jù)不變，得到沿路基頂面沉降量隨施工間歇時(shí)間的變化如圖4所示。

由圖4可知，路基頂面沉降隨距路基中心線距離的增大而逐漸減小。施工間隔時(shí)間10 d時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從10.15 cm減小到4.98 cm，減小了50.94%；施工間隔時(shí)間20 d時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從9.47 cm減小到4.5 cm，減小了52.48%；施工間隔時(shí)間30 d時(shí)，距路基中心線距離從0 m增大到18 m，路基頂面沉降量從8.88 cm減小到4.18 cm，減小了52.93%；說明施工間隔時(shí)間對(duì)路基頂面距路基中心線距離0 m到18 m沉降量的控制效果顯著。隨著施工時(shí)間間隔的增大，路基頂面各點(diǎn)沉降量在逐漸降低，如距路基中心線距離為10 m，施工間隔時(shí)間10 d、20 d、30 d對(duì)應(yīng)的沉降量分別為8.63 cm、8.07 cm、7.61 cm。

3.4 加固措施優(yōu)化

該文研究了水泥攪拌樁彈性模量、樁長、路堤施工間隔時(shí)間對(duì)路基頂面沉降量的影響，發(fā)現(xiàn)三個(gè)因素與沉降控制效果均有不同程度的正相關(guān)性。為便于選出適合該項(xiàng)目的最優(yōu)方案，以路基中心處沉降控制效果為研究對(duì)象，三個(gè)因素的控制效果如圖5所示。

由圖5可知，彈性模量每增大20 MPa，沉降量減小率分別為7.78%、6.11%、4.83%；樁長每增大2 m，沉降量降低率分別為16.55%、17.74%、17.87%；施工間隔時(shí)間每增大10 d，沉降量降低率分別為6.70%、6.26%；說明樁長在這三因素里的性價(jià)比最高，因此在進(jìn)行沉降控制措施優(yōu)化時(shí)，應(yīng)首先考慮樁長增大的方案。

4 結(jié)語

該文以山東某高速為研究背景，基于FLAC3D有限元軟件，研究水泥攪拌樁的彈性模量、樁長、路堤施工間隔時(shí)間等對(duì)路基頂面沉降量的影響，最后分析三種因素對(duì)路基中心處沉降量的控制效果，比較其性價(jià)比，得到如下主要結(jié)論：

（1）路基頂面沉降量隨彈性模量、樁長、施工間隔時(shí)間的增大在逐漸降低。

（2）從路基頂面中心處到路基邊緣，彈性模量導(dǎo)致的沉降量減小率分別為50.94%（80 MPa）、51.82%（100 MPa）、51.07%（120 MPa）、52.30%（140 MPa）；樁長導(dǎo)致的沉降量減小率分別為55.25%（10 m）、60.00%（12 m）、53.50%（14 m）；施工間隔時(shí)間導(dǎo)致的沉降量減小率分別為52.48%（20 d）、52.93%（30 d）。

（3）彈性模量每增大20 MPa，沉降量減小率分別為7.78%、6.11%、4.83%；樁長每增大2 m，沉降量減小率分別為16.55%、17.74%、17.87%；施工間隔時(shí)間每增大10 d，沉降量減小率分別為6.70%、6.26%。

（4）在進(jìn)行沉降控制措施優(yōu)化時(shí)，應(yīng)首先考慮樁長增大的方案。

參考文獻(xiàn)

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