浅层软弱土地基片石夯压加固法的有限元分析

苏春晖

(西南交通大学,四川成都610031)

昆明昆洛路改扩建工程某段为以耕植土为主的浅层软弱土路基。地表耕植土厚度0.5～1.5m,其下约5m为冲洪积、残积粉质黏土、黏土层。耕植土等软弱土多为软塑-可塑状,雨季浸泡后则呈软塑-流塑状态,孔隙比、压缩性大,承载力低(80～110 kPa),属于典型的软弱土,不能满足路基设计要求。在道路、交通及土木工程中,通常采用换填法处理耕植土等浅层软弱土。昆洛路改扩建工程中浅层软弱土面积达80×104m2。同时,工程时间短、工程量大、地质条件复杂、施工难度大。软基浅层处理采用常规的换填法难以达到工期和环保要求。根据昆洛路软弱土分布特点,提出用片石夯压加固法处理,既经济节约又取得了理想的处理效果。

片石夯压加固法是在不清除表层耕植土条件下,用冲击压路机夯压片石层,在置换、挤密、压实作用下,片石强行挤入软土,在夯压影响深度范围内,软土强度增强,抗变形能力提高,形成复合地基,构成满足要求的承载层。

1 片石夯压加固法

昆洛路改扩建工程浅层软弱土片石夯压加固法的工艺流程为:清除地表植被※铺设片石层※建立测量标记和夯压定位标记※冲击压路机夯压※按设计夯压遍数和控制标准进行中间测量和终止夯压测量※终止夯压※夯压面修整。片石材料采用取材便利、质坚、不易风化、水稳性好的石灰岩石材。片石抗压强度≥30MPa,粒径30～40 cm,以人工手摆工艺施工,铺设厚度40～70 cm。冲击压路机冲击滚动夯压片石的过程如图1所示。

图1 片石夯压加固法示意

冲击压路机是兼具夯击和碾压两种压实功能的新型压路机[1～3]。工作状态的冲击压路机的冲击能量主要由夯击能、平动能量和转动惯性能量三部分组成。其中由冲击轮内外接圆半径差产生的夯击能是冲击压路机与常规静态压路机的根本区别所在。夯击产生的压力波向下传播,能够获得比静压更大的影响深度。夯击能E1和冲击能量E的计算公式为(参见图1):

式中:M为冲击轮质量,t;R为冲击轮外接圆半径,m;r为冲击轮内接圆半径,m;V为冲击轮水平速度,m·s-1;J为冲击轮转动惯量,t·m2;ω为冲击轮转动角速度,rad·s-1。

冲击压路机的夯击影响深度可参考强夯影响深度计算公式,即修正的Menard公式获得:

式中:α为修正系数,一般湿陷性黄土取0.34～0.5,高填方土取0.6～0.8,砂性土和杂土取0.45～0.6。

昆洛路施工使用3HCT28型冲击压路机(又称“高能量滚动夯实机”),冲击能量28 kJ,三边形轮质量14.8 t,冲击压力600～2 500 kN,冲击频率2～2.5次·s-1,行走速度10～15 km·h-1。计算可得影响深度约为2～3m。

在实际应用中,冲击压路机的冲击力和压实深度除与冲击轮接地时的速度、加速度和接触时间有关外,还与被压实体的弹塑性参数密切相关。被压实体越坚硬,冲击力越大,影响深度也会越深。昆洛路施工中采用片石夯压加固法在软弱的耕植土上铺设片石层也起到了增大冲击力和影响深度的效果。

2 片石夯压加固法处理效果

通过采用钻探、动力触探测试、标准贯入试验、钻孔取样、室内土工试验对比勘察资料分析比较,得出:原地面下0～3m土体的物理力学性能变化显著,孔隙比、压缩系数、含水量、液性指数明显变小,压缩模量、承载力提高。处理效果如图2所示[4]。

图2 夯压前后地基土的物理力学指标

3 片石夯压加固法的静态有限元模拟与分析

笔者用岩土工程/地下工程有限元程序PLAXIS 8.2版对耕植土直接压实和铺设片石压实加固两种压实方法进行了计算对比。PLAXIS程序由荷兰Delft等大学于1987年推出。其后经过欧美多所高校和研究机构的共同研究、开发和改进,已成为在欧美地区有着广泛的应用并享有盛誉的针对岩土工程应用的有限元计算程序。

计算采用2维模型(图3),模拟压路机轮压下与滚动轴线方向垂直平面的应力场与位移场状态。土体采用MC本构模型。

图3 片石加固法处理的PLAXIS模型(局部)

在向下压实压坑深度30 cm的情况下计算结果见图4～图6。

图4 压实作用下土体网格变形图

计算表明,如果采用地表无片石铺设直接压实的方法,在压坑30 cm的状态下压坑两侧地面显著隆起,土体变形主要集中在压坑周围的地表附近深度0.5m范围之内。在地表隆起的影响下,压坑下约2m深度内有小规模塑性区出现。加大压坑深度的计算表明,进一步增加压实力的情况下,地表隆起更加严重,土体变形范围仍集中在压坑周围的地表附近深度0.5m范围之内。实践也表明,在软弱土场地使用大型压路机或者其他压力较大的机械是不可行的,不仅会造成机械轮陷而行走困难,压坑周围地表的隆起也会使表层土体变得更为疏松,反而难以起到压实效果。根据应力计算结果,压坑30 cm状态约对应于轮重1 t·m-1。

图5 压实作用下土体总位移云图

图6 压实作用下土体塑性点分布图

地表铺设片石压坑深度30 cm状态下(对应轮重约为10 t·m-1),由于地表片石层“硬壳”的存在,在压路机作用下地表隆起情况得到显著改善。从网格图可以看出,在压路机作用下片石嵌入挤密其下层耕植土软弱层。更为重要的是,这层硬壳的嵌入挤密使得大功率压路机在这种场地上的行走成为可能。从土体位移云图和塑性区分布图可以看到,压实影响区范围和深度明显扩大,深度达到约4m。

结合前面夯击作用下压力波影响深度的分析,可以认为,采用冲击压路机施工的片石加固法对于浅层软弱土路基是比较适用的。表面铺设片石的浅层软弱土在冲击压路机夯压过程中能够得到压力波和静压两种对浅层土的挤密压实效果。选用冲击能量不小于25 kJ的冲击压路机,铺设片石,影响深度约3～4m。

昆洛路改扩建工程浅层软弱土地基片石加固法处理后,进行了钻探检测,检测结果表明,片石层与其下部软土相互嵌固形成土石复合层,改善了软土特性,提高了地基承载力和土体抗变形能力。原地面下0～3m土体的物理力学性能变化显著,孔隙比、压缩系数、含水量、液性指数明显变小,压缩模量、承载力提高。夯压挤密有效深度4～5m。承载板试验[4]显示片石加固法处理后地基弯沉、回弹模量满足设计要求。

4 路堤地基片石夯压加固法处理效果的有限元分析

昆洛路改扩建工程为城市I级主干道,规划红线宽80 m,机动车双向10车道,加非机动车道和人行道。设计荷载为城—A级,设计车速60 km·h-1。笔者模拟了片石加固处理后公路运营中,在行车荷载下的路堤工作状态(图7)。路堤填土高度1.5m。

PLAXIS有限元计算结果显示,快车道行车荷载下路基最大位移约为27mm,慢车道行车荷载下最大位移约为20 mm,荷载下沉降满足设计要求[5～8]。

图7 运营工况下路堤总位移云图

5 结 论

(1)地基表面铺设片石层,采用冲击压路机夯压的“片石加固法”是处理浅层软弱土地基的经济有效的一种方法。表面铺设片石的浅层软弱土在冲击压路机夯压过程中能够得到压力波和静压两种对浅层土的挤密压实效果。片石加固法处理后,片石层与其下部软土相互嵌固形成土石复合层,改善了软土特性,提高了地基承载力和土体抗变形能力。

(2)冲击压路机的影响深度与其冲击能量和地基土性质有关。本工程中模拟的表层0.5～1m耕植土情况下,采用片石加固法,原地面下0～3m土体的物理力学性能变化显著,孔隙比、压缩系数、含水量、液性指数明显变小,压缩模量、承载力提高。选用冲击能量不小于25 kJ的冲击压路机,铺设片石,影响深度约3～4m。

(3)在采用片石加固后的地基上填筑1.5m高的路堤,运营工况行车荷载下沉降满足要求。

[1]贺杰.夯的发展——冲击压路机[J].交通世界,2002(7)

[2]交通部公路科学研究院.公路冲击碾压应用技术指南[M].人民交通出版社,2006

[3]鄂俊太.压路机选型及压实技术[M].人民交通出版社,1991

[4]梅益生.片石夯压加固法在道路软基处理中的应用[J].岩土工程界,2005(1)

[5]JTJ 071-98公路工程质量检验评定标准[S]

[6]JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范[S]

[7]JTJ 033-95公路路基施工技术规范[S]

[8]JTJ 051-93公路土工试验规程[S]