深厚软基抛石挤淤加固机理数值模拟研究

姜景山

（1．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2．河海大学岩土工程科学研究所，南京 210098）

深厚软基抛石挤淤加固机理数值模拟研究

姜景山1，2

（1．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2．河海大学岩土工程科学研究所，南京 210098）

抛石挤淤法在沿海高等级公路地基处理中广泛应用，但对加固机理研究较少，通过建立弹塑性有限元力学模型，对抛石挤淤处理的路基应力变形性状进行了分析。计算结果表明：①抛石挤淤处理后的地基能有效提高地基的模量，减小路基沉降和地基浅部水平位移，加速地基孔隙水压力的消散，因此抛石挤淤的加固机理在于人工硬壳层效应和加速排水固结效应；②抛石挤淤体厚度越大，路基沉降越小，而抛石挤淤体模量和宽度对路基沉降的影响较小，因此施工时应采取有效工程措施增大抛石的沉底深度；③填筑速率越大，路基工后沉降越大，预压期越短，路基沉降越大，因此施工时应严格控制施工速度，并保证足够的预压期使路基沉降满足工程要求。深入了解抛石挤淤的加固机理、应力变形性状和影响因素，有助于为设计和施工提供参考和指导。

抛石挤淤；加固机理；软基；地基处理；路基；沉降；水平位移；孔隙水压力

1 研究背景

软土在我国东部沿海地区分布广泛，在软土地区修建道路时不可避免地涉及到地基处理问题，如何选择既能满足工程要求，又经济合理的方法是岩土工程师一直追求的目标。

软基处理的方法主要有排水固结法、复合地基法、轻质路堤法、浅层置换法等。排水固结法控制路基沉降效果较好，但需要的工期较长。复合地基法对路基沉降及路基稳定控制效果好，主要用于对沉降或工期要求较高的工程或路段，如桥头段、扩建工程等，相应的工程造价也较高。轻质路堤法通过填筑轻质高强材料减轻路堤荷载减小地基沉降，一般用于路堤高度较大、拆迁受限或填挖受限的路段，工程造价相对较高。而对于路基沉降与稳定、施工工期要求不高的低路堤的路段，采用浅层置换的方法——抛石挤淤法。这种方法具有较好的适用性，尤其是当石料来源丰富时，该方法更不失为一种因地制宜、经济节约的好方法。

目前，抛石挤淤法已广泛应用于沿海高等级公路、市政道路的软基处理，如连云港地区在市政道路广泛应用了抛石挤淤法，在石料来源相对不太丰富的天津滨海大道等工程中也采用了此方法。虽然抛石挤淤法在工程中已经得到了较为广泛的应用，对其进行的研究主要集中在理论分析、试验研究和工程应用方面［1－4］，而加固机理方面的研究还不够深入。在相关规范中，仅有《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）、《公路路基施工技术规范》（JTG F10—2006）和《堤防工程施工规范》（SL 260—1998）对抛石挤淤法的适用对象、抛填材料、施工顺序做了简单的介绍，其他方面均无明确规定［5－7］。为研究抛石挤淤法的加固机理，为设计施工提供参考和指导，本文通过建立有限元力学模型的方法对抛石挤淤的力学性状和影响因素进行了分析。

2 模型的建立

2．1 模型尺寸和边界条件

以连云港地区某公路为例进行研究，该公路路基宽24．5 m，路基高度2 m，坡比1∶1．5，挤淤体厚2 m，挤淤体半幅宽度17．25 m。

根据路基的对称性，取路基的1／2进行计算，模型简化为二维平面应变问题。模型左边界为路基中心线，计算区域左右两侧边界只约束水平向位移，为不透水边界，底部边界同时约束水平和竖向位移，为透水边界。为消除边界条件对计算结果的影响，地基深度取20．0 m，宽度取50．0 m，如图1所示。

为研究不同影响因素，如挤淤体厚度、模量、宽度、淤泥渗透性和填筑速率等因素对抛石挤淤处理效果的影响，计算中保持其他参数不变，仅改变该参数的大小来实现，如填筑速率通过改变填筑一层0．5 m的所需的时间而保持其他参数不变来进行模拟。

图1 有限元模型示意图Fig．1 Schem atic of finite elementmodel

2．2 程序选择

Plaxis是荷兰代尔夫特技术大学开发的岩土工程通用有限元程序，该程序界面友好，计算快捷，在国外应用广泛。Plaxis能进行变形、固结、渗流计算，同时还能进行基于强度折减法的稳定计算。

Plaxis有6节点二阶三角形单元和15节点四阶三角形单元可供选择，为减小计算误差，获得较高的计算精度，本文采用15节点三角形单元，见图2。

图2 15节点三角形单元Fig．2 Triangle element w ith 15 nodes

2．3 本构模型

本文材料采用摩尔－库仑（Mohr-Coulomb）弹塑性模型（如图3），对于土体，Mohr-Coulomb强度理论得到广泛应用，其表达式为

式中：τn为极限抗剪强度；σn为剪切面上的法向应力，以拉为正；c为土体的黏聚力；φ为土体的内摩擦角。

完整的Mohr-Coulomb屈服条件由6个屈服函数组成：

图3 理想弹塑性模型Fig．3 Ideal elasticplasticmodel

Mohr-Coulomn屈服条件的屈服面在л平面上是一个不等角的等边六边形，在三维主应力空间为一不规则的六角锥体，如图4所示。

图4 主应力空间（c＝0）中M ohr-Cou lomb屈服面Fig．4 M ohr-Coulomb yield surface in principal stress space（c＝0）

2．4 模型参数

根据该公路的勘察和设计资料，该地区的地基土可简化为2层，分别是淤泥质土和粉质黏土，地下水位约为－1．0 m。计算中路基和地基土采用摩尔－库仑模型，模型参数取勘察结果平均值，如表1所示。

路基填土速度为每月1 m，路基填筑完成后预压180 d，随后进行路面施工，为简化计算，将路面结构用同等厚度路基填土替代，在进行影响因素分析时，假定只有该因素变化，其他因素不变。

3 应力变形性状分析

通过建立有限元力学模型对抛石挤淤法处理的路基和地基未处理直接填筑的路基（其他条件相同）沉降、水平位移和孔隙水压力进行对比分析，了解抛石挤淤法的加固机理。

表1 路基和地基土层参数Table 1 Parameters of subgrade and foundation soils

3．1 沉 降

图5为地基不处理与抛石挤淤法处理路基沉降对比。从图中可以看出：抛石挤淤处理后，路基中心总沉降从19．4 cm减小到16．4 cm；工后沉降从3．7 cm减小到2．1 cm。路基总沉降和工后沉降在抛石挤淤处理后均减小，表明抛石挤淤处理地基后，增大了地基的复合模量，相同荷载条件下，路基沉降减小。

图5 地基不处理与抛石挤淤处理沉降对比Fig．5 Com parison of settlement of the foundation w ith and w ithout riprap treatment

3．2 水平位移

图6为地基不处理与抛石挤淤法处理路基水平位移对比。从图中可以看出，抛石挤淤处理后，地基浅处水平位移要比地基不处理工况明显要小，说明抛石挤淤体形成一层模量高、整体性好的整体硬壳层，浅处软土的水平位移明显减小。但深处水平位移反而要比地基不处理工况稍大一点，说明抛石挤淤形成的整体硬壳层起到了应力扩散作用，能将应力向深部更大范围内土体扩散，因而，深处水平位移反而稍大一点。

图6 地基不处理与抛石挤淤处理水平位移对比Fig．6 Com parison of horizontal displacement of the foundation w ith and w ithout riprap treatment

3．3 孔隙水压力

图7为地基不处理与抛石挤淤法处理路基孔隙水压力数值模拟结果的对比。从图7中可知：抛石挤淤处理后，路基孔隙水压力消散快，即使是在填筑结束后，孔隙水压力也要比地基不处理工况下要小，说明抛石挤淤体渗透性好，能加速地基的排水固结，使施工期路基沉降发展得更充分，工后沉降相应的要小，由此说明，抛石挤淤体具有加速排水固结效应。

图7 地基不处理与抛石挤淤处理孔压对比Fig．7 Comparison of pore water pressure of the foundation w ith and w ithout riprap treatment

4 挤淤体的影响

4．1 挤淤体厚度

图8为不同挤淤体厚度路基沉降。可以看出：随着挤淤体厚度的增大，路基总沉降和工后沉降均减小，差异沉降也随着挤淤体厚度的增大而减小。挤淤体是由大小不同的块石相互挤紧咬合而成，因而挤淤体模量大。随着置换厚度的增大，地基的复合模量逐渐增大，相同荷载下，路基沉降逐渐减小，因而，在抛石挤淤过程中应在工程允许范围内采取各种可行措施增大抛石挤淤体沉底的厚度，如压载、振动碾压、强夯、爆破等方法。

图8 不同挤淤体厚度路基沉降Fig．8 Settlements of subgrade w ith different extruded silt thicknesses

4．2 挤淤体模量

图9为不同挤淤体模量路基沉降，从图中可以看出，挤淤体模量在30～80 MPa范围内变化时，路基沉降基本不变，说明抛石挤淤体只要碾压满足工程要求时（2次碾压轮迹无明显沉降差）其自身的压缩变形很小，表明挤淤体的模量不是影响路基沉降的主要因素。

4．3 挤淤体宽度

图10为不同挤淤体宽度路基沉降。从图中可以看出，挤淤体宽度在坡脚外0～5 m范围内变化时，路基沉降变化不大，表明挤淤体宽度不是影响抛石挤淤加固效果的主要影响因素。正常情况下抛石挤淤体宽度只要宽出坡脚并能满足正常施工的需要即可，一般建议挤淤体宽度宽出坡脚2～3 m为宜。

图9 不同挤淤体模量路基沉降Fig．9 Settlements of subgrade w ith different extruded siltmoduli

图10 不同挤淤体宽度路基沉降Fig．10 Settlements of subgrade w ith different extruded silt w idths

5 淤泥的影响

5．1 淤泥模量

图11为不同淤泥模量路基沉降，从图中可以看出，随着淤泥模量的增大，路基沉降逐渐减小，淤泥模量大于2．0 MPa时，路基沉降小于16 cm，因而淤泥模量是影响路基沉降的主要因素。

图11 不同淤泥模量路基沉降Fig．11 Settlements of subgrade w ith different siltmoduli

5．2 淤泥渗透性

图12为不同淤泥渗透系数路基沉降。从图中可以看出：淤泥渗透性的大小对路基总沉降基本没有影响，但对路基施工期总沉降和工后沉降分布有影响，具体说来淤泥渗透性越小，路基填筑产生的超孔隙水压力在施工期消散得越慢，路基的工后沉降就大。由于淤泥的渗透性较小，因而，抛石挤淤处理的路基应保证足够的预压期，使超孔隙水压力在施工期充分消散，尽量减小路基的工后沉降。

图12 不同淤泥渗透系数路基沉降Fig．12 Settlements of subgrade w ith different silt permeability coefficients

5．3 淤泥厚度

图13为不同淤泥厚度条件下路基沉降。从图中可以看出：随着淤泥厚度从10 m增大到16 m时，路基中心总沉降从16．5 cm增大到23．9 cm，工后沉降从2．3 cm增大到4．6 cm，路基总沉降和工后沉降随淤泥厚度的增大而增大。因而，在深厚软基上抛石挤淤处理时，可采用增大抛石体落底深度的方法来减小路基的沉降。

图13 不同淤泥厚度路基沉降Fig．13 Settlem ents of subgrade w ith different silt thicknesses

6 施工的影响

6．1 填土高度

图14为不同填土高度条件下路基沉降。从图中可以看出：随着填土高度的增加，路基沉降也逐渐增大，路基总沉降增大的趋势也逐渐增大。根据工程经验，抛石挤淤厚2 m时路基填土高度不宜超过2．5 m，如填土高度大于2．5 m，可采取其他措施增大抛石挤淤沉底深度。

6．2 填筑速率

图15为不同填土速率路基沉降。可以看出：填土速率对路基总沉降几乎没有影响，但对路基施工期和工后沉降的分布有影响，填土速率越慢，路基施工期间沉降发展越大，路基工后沉降越小。由此说明，路基填筑时填土速率不宜太快，避免沉降发展过快导致路基开裂或失稳等病害，一般对抛石挤淤处理的深厚软土建议每月填土速率不宜超过1 m。

图14 不同填土高度路基沉降Fig．14 Settlements of subgrade w ith different filling depths

图15 不同填土速率路基沉降Fig．15 Settlements of subgrade w ith different filling speeds

6．3 预压期

图16为不同预压期路基工后沉降。可以看出：工后沉降随着预压期的增大而逐渐减小，对总沉降基本没有影响。考虑到抛石挤淤处理的地基沉降较大，为尽量减小路基工后沉降，建议对于填土高2．0 m左右的路基应至少预压3个月。

图16 不同预压期路基工后沉降Fig．16 Post-construction settlements of subgrade w ith different preloading durations

7 结 论

通过对抛石挤淤法处理的路基应力变形性状和影响因素进行分析，得到如下主要结论：

（1）抛石挤淤法在淤泥浅层抛填碎石，碎石间互相挤紧咬合，形成一层强度高、模量大的整体硬壳层，减小了路基的沉降和差异沉降。

（2）抛石挤淤法所形成的抛填体颗粒间孔隙大、渗透性好，能加速软土的排水固结，减小路基的工后沉降。

（3）抛石挤淤体越厚，路基的沉降越小，因此，施工中应采取各种有效措施尽量增大抛填体的落底深度，如压载、卸载挤淤、振动碾压、强夯、爆破等。

（4）填土速率越慢，路基工后沉降越小，因此，路基施工时应严格控制施工速度，避免施工速度过快，造成路基沉降过大出现裂缝或路基失稳，同时路基填筑完成后应保证足够的预压期，尽量让路基沉降在施工期充分发展，从而减小路基工后沉降，即采取时间换金钱的方法。

因此，抛石挤淤法的加固机理在于硬壳层效应和加速排水固结效应，为提高抛石挤淤的效果，建议通过增大抛石挤淤体厚度和合理控制施工速度及施工工期来实现。

［1］ 杨光煦．压载挤淤研究［J］．岩土工程学报，1992，14（2）：72－76．（YANG Guang-xu．Study on Riprap Extrusion Sludge Method［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1992，14（2）：72－76．（in Chinese））

［2］ 余海忠，刘国楠，徐玉胜，等．抛石挤淤成堤断面形态研究［J］．中国铁道科学，2011，32（3）：1－7．（YU Haizhong，LIU Guo-nan，XU Yu-sheng，et al．Study on the Shape of the Dike Constructed by Squeezing Soft Clay Method［J］．China Railway Science，2011，32（3）：1－7．（in Chinese））

［3］ 陈 旭，魏入波．抛石挤淤工艺的应用［J］．水运工程，2009，（8）：155－159．（CHEN Xu，WEI Ru-bo．Technique of Rockfill Dumping for Extruding Silt［J］．Port＆Waterway Engineering，2009，（8）：155－159．（in Chinese））

［4］ 于晓冬．抛石挤淤在处理高速公路软土地基中的应用［J］．公路交通技术，2008，（增刊）：44－46．（YU Xiaodong．Application of Explosive Stone Method in Expressway Soft Ground Treatment［J］．Technology of Highway and Transport，2008，（Sup．）：44－46．（in Chinese））

［5］ JTG D30—2004，公路路基设计规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．（JTG D30—2004，Specifications for Design of Highway Subgrades［S］．Beijing：China Communication Press，2004．（in Chinese））

［6］ JTG F10—2006，公路路基施工技术规范［S］．北京：人民交通出版社，2006．（JTG F10—2006，Technical Specification for Construction of Highway Subgrade［S］．Beijing：China Communication Press，2006．（in Chinese））

［7］ SL 260—1998，堤防工程施工规范［S］．北京：中国水利水电出版社，1998．（SL 260—1998，Specification for Levee Project Construction［S］．Beijing：ChinaWater Power Press，1998．（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

水利部公益性行业科研专项经费项目“三峡工程运用对下游洲滩血吸虫扩散影响研究”通过验收

2012年11月6日，水利部国际合作与科技司在武汉主持召开了由长江水利委员会长江科学院、湖北省疾病预防控制中心血吸虫病防治研究所、湖南省血吸虫病防治所、长江水利委员会综合管理中心血吸虫病防治办公室等单位承担的水利部公益性行业科研专项经费项目“三峡工程运用对下游洲滩血吸虫扩散影响研究（编号：200801004）”验收会。水利部国际合作与科技司高波司长莅临会议并作重要讲话，长江水利委员会副主任杨淳、长江水利委员会国科局周刚炎局长、长江水利委员会国科局唐文坚处长、长江科学院汪在芹副院长、长江科学院卢金友副院长、长江科学院副总工程师兼科研计划处处长杨文俊等出席了会议。会议由水利部国科司朱寿峰处长主持，长江水利委员会副总工程师金兴平担任验收专家组组长。项目承担单位均派员参加了会议。

验收组听取了项目研究工作执行情况和成果的汇报，仔细审阅了项目报告和相关成果资料，进行了现场质询和讨论。专家组一致认为：本项目以长江中下游江湖有螺洲滩为研究对象，对三峡工程运用后的洲滩生境变化对钉螺及血吸虫病扩散的影响进行了深入研究。该项目全面完成了任务书规定的工作内容，研究成果丰富，达到了预期目标，同意通过验收，综合评价等级为A级（优秀）。

（摘自：长江水利科技网）

Numerical Simulation on the M echanism of Reinforcing Deep Soft Soil Foundation by Dum ping Riprap to Extrude Silt

JIANG Jing-shan1，2
（1．Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Geotechnical Research Institute，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Themethod of silt extrusion by dumping riprap has been widely applied in the foundation treatment of coastal high-grade highway．However，the reinforcementmechanism is rarely researched．Elastic-plastic finite element numerical simulation was performed to analyze the stress and deformation behavior of subgrade treated by dumping riprap to extrude silt．The results indicate that the foundation modulus after riprap treatment can be increased effectively，the settlement and horizontal displacement can be decreased and the dissipation of pore water pressure can be accelerated，which suggest that the reinforcementmechanism lies in artificial shell effect and accelerated consolidation effect．The settlement of subgrade decreaseswith the increase of riprap thickness，but is influenced little by riprap modulus and width．Therefore，effectivemeasurementsmust be taken to increase the depth of riprap in construction．The quicker of subgrade filling，the bigger of subgrade settlement；and the shorter of preloading period，the bigger of subgrade settlement，therefore the filling speed must be controlled strictly and sufficient preloading period must be assured so as tomeet the requirements．Understanding of the reinforcementmechanism，the stress and deformation behavior and the influencing factors is conducive to providing reference and guidance for the design and construction of riprap silt extrusion．

dumping riprap to extrude silt；reinforcementmechanism；soft soil foundation；foundation treatment；subgrade；settlement；horizontal displacement；pore water pressure

TU471．8；TU472

A

1001－5485（2013）02－0041－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．009

2011－11－22；

2012－02－02

姜景山（1978－），男，安徽青阳人，工程师，主要从事地基和路基处理方面的研究，（电话）027－82820026（电子信箱）jingshanjiang＠yahoo．com。