考虑软土固结的一级公路碎石桩路基沉降规律数值模拟研究

郑立善1， 谢 威2， 宋录彬2， 张新雷， 娄 平

(1. 广东省湛江市公路管理局， 广东 湛江 524000； 2.中建湛江大道投资建设有限公司， 广东 湛江 524000；3.中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410075)

0 引言

虽然我国的公路施工技术有了长足的进步和发展，但是每年由于公路质量问题依然造成了不可估量的人员财产损失。控制路基沉降一直是路基施工的重点，尤其是软土路基，由于软土天然含水量大、压缩性高、承载能力低等不良性质更易引发公路路基沉降和不均匀沉降[1]，开展大范围软土一级公路路基沉降控制理论分析及技术研究具有十分重要的意义。

软土具有高压缩性、低强度、低渗透性等共同特性，在国内外均分布广泛。针对软土地层公路路基的沉降变形规律以及沉降控制技术，国内外学者已经开展了大量的研究。关于路基的固结沉降研究，瑞典学者们于上个世纪初期最先发现软黏土的排水固结沉降现象。随后，TERZAGHI[2]于1923年提出了有效应力的概念，并于1925年的土力学国际会议上首次提到一维固结理论。RENDULIC[3]以一维固结理论为基础，将其理论推广至了二维和三维的固结理论。BIOT[4]基于有效应力原理和土的连续体力学，推导得出了著名的Biot固结方程。基于这些固结理论，国内外工程人员和研究人员又相继提出了不少的软土路基处理技术，我国从上世纪50年代开始，相应进行土桩挤密法和换填土层法的试验及应用，70年代又引进了旋喷法和振冲碎石桩法，并结合国内实际条件进行了改进和发展[5]。其中碎石桩由于能够将桩体和地基结合共同承担荷载，从而相对经济和高效，逐渐成为了国内外软土治理最常用的方法之一。MURUGESAN等[6]通过建立二维有限元数值对加筋碎石单桩承载能力进行了研究。陈建峰等[7]探究了不同筋材刚度对加筋碎石桩复合地基变形和稳定性的影响。赵明华等[8]考虑了横截面剪应力对位移的影响,并对碎石桩在柔性基础中的变形控制方程进行了推导,计算出了碎石桩复合地基在柔性基础中的应力比和沉降。袁江雅[9]探讨了土工格室垫层+碎石桩复合地基的承载机理，分析土工格室垫层对碎石桩复合地基承载力的提高作用。许健[10]探讨了吉林某软土地基公路工程施工处理技术。杜慧慧等[11]基于有限元软件ABAQUS对荷载作用下复合地基的沉降值、水平位移及桩身应力规律进行研究。

为增加经济效益，也可把形体优美（不管大小个）灵芝挑选出来，刷掉孢子粉和泥土，放至蒸锅内蒸红（5～10分钟），出锅晒干或烘干，精心保管，留做工艺灵芝。

本文基于一级公路湛江大道霞山百蓬至麻章田寮村段存在大范围软土的实际地质条件，探讨一级公路路基软土不同厚度条件下的沉降控制技术，并选取典型代表断面，建立碎石桩处理软土地基的有限元模型，研究路基沉降变形规律及碎石桩强度对路基沉降的影响规律，以指导湛江大道软土地基的现场施工。

1 工程概况

拟建项目省道S374线霞山百蓬至麻章田寮村段改建工程(湛江大道)位于湛江市西侧。

碎石桩法常用于挤密松散的砂土、粉土、素填土以及杂填土地基，它不仅能有效提高地基承载力，降低地基沉降，并且有着高效、经济的工程优点。碎石桩桩体大多由碎石、卵石甚至是建筑及工业垃圾所构成，往往可在工程上就地取材，且施工所需条件和难度较低，施工工期较短，具有良好的经济和社会效益。

拟建工程区内总体地形平坦，地貌单元有海积平原、冲洪积洼地、冲洪积平原、微丘台地。局部路段分布有软土，主要分布的软土为淤泥质土、泥炭质土，灰黑色，为软塑～流塑，含少许粉细砂及腐木碎屑。上述软土层具有天然含水量高，孔隙比大，压缩性高，强度低，渗透系数小等特点，工程性质差，易产生较大沉降及不均匀沉降，对路基工程影响较大。

2 碎石桩复合地基沉降控制技术

2.1 碎石桩法概述

依据碎石桩设计方案，选取碎石桩处理路基典型代表断面，如图2所示，模型的地基宽度为134 m，总高26.8 m，从上到下分别为路堤填土(厚6 m)、碎石垫层(厚0.5 m)、素填土(厚1 m)、细砂(厚1.6 m)、淤泥质土(厚3.1 m)、粗砂(稍密，厚3.1 m)、黏土(厚8.4 m)和粗砂(中密，厚3.1 m)。路堤边坡坡比1∶1.5，分2层填筑，路堤顶面宽度34 m,路堤高度6.5 m；碎石桩平面布置呈三角形，桩径为0.5 m，桩间距1.2 m，桩长为10 m, 地基横断面碎石桩布置宽度为55.2 m。

图4是数值模拟无碎石桩时，堤填筑1层后、2层后及填筑完1 a后填土顶面沉降分布曲线。从图4可知，沉降曲线大致以填土顶面中心为轴呈对称分布，填土顶面中心的沉降值最大，并向路基两端逐渐减小，第1层填筑完毕时最大沉降量为19.07 cm，第2层填筑完毕时最大沉降量为35.73 cm，放置1 a后最大沉降量为35.94 cm，比表3[13]中一般路段容许沉降值大。

宣传是一门观念的营销艺术。它通过各种传媒技术，将宣传者的理念、追求，经过精心地包装和加工后，向受众进行灌输、宣传和推广，其主要目的就是希望后者了解、认可、支持前者的主张和做法，以此为其特定治理策略提供民意上的合法性基础。宣传的性质和主要做法类似于广告学和市场营销学中的推广和营销：不断重复地播放、无孔不入地覆盖、简单明了的字眼、字面上的暖意和温情、有意识的方向引导等。尽管有些宣传本身被不少人指责为“选择性报道”(只报喜不报忧)、“倾向性引导”，但作为一项被党政系统熟练操作的技术，其在运动式治理中还是有诸多价值的。

抽象域[10]是指通过一组由计算机可以表示的元素命名为域元素以及基于该元素定义的一系列的操作，称为域操作，来对具体的程序所进行的抽象刻画。在抽象解释的理论基础上的分析验证过程都是在程序的抽象域中展开的。作为抽象解释的理论中的一个核心概念，抽象域的描述要从抽象域的表示（即域元素的描述）和抽象域中的操作，两方面来考虑。

2.2 湛江大道碎石桩布置

在本工程中，对填方路基段厚层可液化软土(软基埋深3～12 m)部分地基处理采用碎石桩。设计碎石桩桩径0.5 m，桩间距1.2 m，平面布置呈三角形，如图1所示。

图1 碎石桩平面布置图(单位： mm)

3 碎石桩复合地基固结沉降数值模拟

3.1 模型结构

碎石桩是指由砂、碎石、卵石等无胶凝性材料为主要材料所制成的无粘结强度的桩。碎石桩法是指与桩周土体形成复合地基的方法，是利用振动或冲击将桩管压入地层成孔,再将碎石等无胶凝性材料从桩管投料口处投入桩管内,然后击实振捣挤密,最终制成密实碎石桩。

图2 碎石桩复合地基典型断面图

图6表示碎石桩处理后路基表面中心沉降值随时间变化的关系曲线，在仅考虑自重和软土固结的条件下，路基表面中心沉降值随着时间增加而增大。在78～258 d的填土填筑阶段，路基表面中心沉降值增加较快;在填土填筑完成260 d后，路基表面中心沉降值增长非常缓慢，已接近最大值。

表1 土体物理力学参数表土体名称天然密度/(g·cm-3)弹性模量/MPa泊松比λ渗透系数/(cm·s-1)粘聚力/kPa内摩擦角/(° )土体名称天然密度/(g·cm-3)弹性模量/MPa泊松比λ渗透系数/(cm·s-1)粘聚力/kPa内摩擦角/(° )素填土1.85150.2501.0×10-31210黏土1.90250.3501.0×10-61812细砂1.90400.2753.6×10-3-22粗砂(中密)2.00720.2504.2×10-2-30淤泥质土1.50150.4001.0×10-765路基填土2.00320.3001.16×10-31525粗砂(稍密)1.90660.2754.2×10-2-28碎石垫层2.10200.3001.2×10-3-37

图3 碎石桩复合地基有限元模型图

3.2 计算结果讨论与分析

3.2.1碎石桩复合地基固结沉降规律分析

(2)鉴于二维地震勘探固有的缺陷，在煤层气勘探开发阶段，建议采用宽方位高精度三维地震技术对勘探开发井网范围内进行精细构造控制；

有限元模型施工过程模拟考虑了碎石桩施工、碎石垫层填筑、路堤填筑以及填筑完放置1 a。其中:碎石桩施工期15 d;碎石垫层0.5 m，填筑期60 d;路堤填土总高6 m，为便于进行计算,路堤施工分2级加载[12]，路堤一层填筑期100 d，二层填筑期80 d。碎石桩模拟采用实体桩，本构模型为莫尔-库伦模型，具体参数如表2所示，碎石垫层和路堤不考虑渗流的影响。

表2 碎石桩物理力学参数表天然密度/(g·cm-3)弹性模量/MPa泊松比λ渗透系数/(cm·s-1)粘聚力/kPa内摩擦角/(° )2.2200.31.2×10-3-38

只要买了LV，你的北漂就成功了；好的父母，一定喂孩子进口奶粉；每年一次出国旅游，是中产阶级的底线……所以，“富”是自我预期，当短期内不能达到这个预期时，很多人都会退而求其次的让自己“看起来富一点”。

图5是数值模拟碎石桩处理后路堤填筑1层后、2层后及填筑完1 a后填土顶面沉降分布曲线。由图可知，沉降曲线大致以填土顶面中心为轴呈对称分布，填土顶面中心的沉降值最大，并向路基两端逐渐减小，第1层填筑完毕时最大沉降量为5.63 cm，第2层填筑完毕时最大沉降量为11.63 cm，放置1 a后最大沉降为11.73 cm，小于表3中一般路段容许沉降值。路基横断面表面中心与端部沉降差值为2.68 cm。

图4 无碎石桩时不同阶段填土顶面沉降分布曲线图

表3 工后容许沉降值m公路等级不同工程位置的沉降值桥台与路堤相邻处涵洞、箱涵、通道处一般路段一级公路≤0.1≤0.2≤0.3

图5 碎石桩处理后不同阶段填土顶面沉降分布曲线图

根据各土层材料力学性能特点，在本模型中淤泥质土采用修正剑桥本构模型，其余各地基土层、路堤填土、碎石垫层均采用莫尔-库伦本构模型，地下水位位于地下2.5 m，各土层材料相关力学计算参数如表1所示。模型顶面采用自由边界，左右侧考虑设置限制水平位移的边界条件，模型底部采用固定约束，在素填土表面设置排水边界。碎石桩分布区域及路堤填土区域为重点区域，网格划分较密，其余区域网格划分较疏,单元类型采用三角形单元。模型计算过程中仅考虑结构自重作用，模型初始应力考虑为原地基土的自重应力。采用MIDAS GTY NX有限元软件建立考虑路堤-地基-碎石桩的有限元模型，有限元模型网格划分如图3所示。

图6 路基表面中心沉降随时间变化关系曲线图

3.2.2碎石桩复合地基固结沉降影响因素分析

图7表示在不同桩体弹性模量下0(无桩)、20、40、60 MPa，施工完1 a后路基表面的沉降分布曲线。由图可知，随着弹性模量的增大，路基表面的最大沉降值显著减小，在桩体弹性模量为0、20、40、60 MPa时，路基表面最大沉降分别为35.94、11.73、9.39、8.45 cm。同时，在桩体弹性模量为0、20、40、60 MPa时，路基横断面表面中心与端部沉降差值分别为6.55、2.68、2.25、2.05 cm。由结果可知，路基表面最大沉降及沉降差值受弹性模量变化影响较大，因此保证碎石桩的桩体强度质量是控制地基沉降的关键。

图7 不同桩体弹性模量下路基表面沉降分布曲线图

4 结论

对一级公路施工中的软土路基控制分析是保证后期公路正常使用的重点。本文基于一级公路湛江大道霞山百蓬至麻章田寮村段改建工程，对大范围软土路基沉降控制技术展开了研究，采用MIDAS GTY NX有限元软件建立考虑路堤-地基-碎石桩的有限元模型，研究软土固结的路基沉降变形规律及碎石桩强度对路基沉降的影响规律。得到了以下结论:

1) 经过碎石桩处理后，路基表面最大沉降量在260 d左右趋于稳定。路基表面的最大沉降量、路基横断面表面中心与端部沉降差值均满足一级公路的正常使用要求。与无碎石桩处理的数值模拟结果相比，碎石桩处理能有效控制路基的沉降。

围绕长江大保护战略，紧扣河湖永畅长清目标，持续开展健康河湖科学研究、评价指标和标准制定等工作，为推进河湖长制提档升级、维护健康生命提供技术支撑。

2) 随着碎石桩弹性模量的增大，路基表面的最大沉降值显著减小，路基横断面表面中心与端部沉降差值亦减小，因此保证碎石桩的桩体强度是控制地基沉降的关键。