不良地质下高液限黏土路基改扩建粉喷桩处治数值分析*

廖浩成， 黄博， 陈佳， 谢继登

(1.湖南省莲株高速公路建设开发有限公司， 湖南 株洲 412000；2.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114；3.保利长大工程有限公司， 广东 广州 510000)

道路改扩建工程在自重荷载和行车荷载作用下很容易产生新老路基沉降差，若沉降差过大，新老路基相接位置的路面会产生裂缝、破损等现象。在高液限黏土地基上进行道路改扩建，新老路基差异沉降处治尤为重要。何颖通过红黏土物理性能试验，得出压实度及承载比(CBR)是评价高液限黏土路基施工质量的两个重要指标，并根据现场实际沉降模拟预测了未来路基沉降变化规律。戴良军等探讨了高液限黏土用作路堤填料的可行性，通过不同掺砂量高液限黏土填料试验，提出施工含水率应介于天然含水率与最佳含水率之间。张军辉利用加筋路堤离心模型试验模拟改扩建工程，对软弱地基提出处理建议。孟学清提出了加大新旧路基之间拼接设计、增强新老路基的协调性、加强加宽部分地基处理等处治措施。欧彩云通过对粉喷桩处理软土路基机理的分析，得出采用粉喷桩处理软土路基可减轻或避免路基在施工中及工后的横向不均匀沉降。赵建通过对粉喷桩加固软土地基方案的有限元分析，得出粉喷桩体的应力分布和复合沉降变形规律。章海明对软土路基沉降量及差异沉降进行有限元分析，得出增设粉喷桩群可控制路基的差异沉降。该文以某高速公路加宽改造为背景，利用ABAQUS软件对高液限黏土路堤填筑和软弱地基处治进行研究，分析粉喷桩处治后各级填筑加载高度下填土应力及路基沉降。

1 高液限黏土的工程特性及改良

1.1 高液限黏土的工程特性

某高速公路沿线以红黏土及次生红黏土分布最广，属于软土地区。该高液限红黏土粒径小，粒径在10 mm以上的(含10 mm)通过百分率为100%，粒径0.075 mm的通过百分率为86.06%。黏聚力决定高液限黏土的强度，它在含水率很低的情况下易被压碎，在含水率高的情况下土体抗剪强度很小，整体稳定性差。高液限黏土的物理力学性质见表1。

表1 土的物理力学性质指标

高液限黏土在含水率低的情况下其干密度对击实功较敏感，在含水率高的情况下其干密度受击实功的影响较小。因此，在施工压实度能达到标准的前提下，高液限黏土适宜在偏湿的状态下进行碾压，以减少不必要的碾压次数，提高工作效率。该高液限黏土含水率在最佳含水率～最佳含水率+5%时，CBR值均在4.3以上，能满足上下路堤的要求，并且适当的碾压同样能达到理想的压实度。高液限黏土仅限于上、下路堤填筑使用，工程中对公路路基填料最小强度要求见表2。

表2 高速公路高液限土路基填筑最小强度、压实度和最大粒径要求

在用高液限红黏土作为路基填土时必须严格控制填筑碾压时的含水率，碾压前进行翻土晾晒，确保含水率在保证路基强度与稳定性的范围内。

1.2 高液限黏土的改良

高液限黏土不能直接用于路床填筑。该高速公路改扩建时，为充分利用高液限黏土，对高液限红黏土掺碎石进行改良，改良效果见图1。

图1 掺碎石高液限黏土重型击实试验结果

由图1可知：掺入碎石后，碎石粗颗粒在高液限黏土土体中形成骨架，土体填充在其中，密实度增加，干密度增大。掺碎石量过少时，碎石无法充当骨架作用；掺碎石量为40%时，压实度迅速上升，干密度迅速增大；掺碎石量为50%时，压实度上升趋势变缓。从工程安全性和经济性出发，掺40%碎石对高液限黏土进行改良处理，满足路基设计规范的要求(压实度不小于96%，CBR值不小于8%，裂缝宽度不超过5 mm)。

综上，高液限黏土只要满足规范要求就能用于上路堤(94区)和下路堤(93区)填筑；而路床(96区)填筑如需利用高液限黏土，则需掺40%碎石。

2 有限元模型建立

2.1 路基结构

该高速公路宽度为27 m，设计行驶速度为100 km/h，路面材料为沥青砼，原为双向四车道，现因交通量需求改为双向六车道。路基拓宽方式为双侧拓宽，两侧各拓宽7.5 m，路基高度9 m。地基分两层，第一层为11.5 m深软弱土，第二层为8 m深粉质黏土。新路基分为3层，93、94区(0.7 m)为低液限黏土，96区(0.8 m)为高液限黏土+40%碎石。软土地基上设置圆管涵，圆管涵洞外径1.5 m，壁厚0.1 m，涵顶填土高度8 m。软土进行桩处理，桩体直径0.5 m，长度11.5 m，间距1.0 m(见图2)。

图2 有限元计算模型几何尺寸(单位：m)

2.2 计算区域与边界条件

使用ABAQUS建立路基三维有限元分析模型，路基区域以外取2倍路基宽度，即21 m×2=42 m。路基内部设置砼涵管，外径1.5 m，壁厚0.1 m。为模拟涵管对路基的影响，路基沿线路方向取3倍涵管外径厚度，即1.5 m×3=4.5 m。粉喷桩直径为0.5 m，长度为11.5 m，间距为1.0 m，桩体网格单元使用八节点线性六面体单元(C3D8)。

2.3 网格划分

以路堤中心与水平地面为原点，取结构一半为研究对象。侧面约束水平向位移，地面约束竖向位移。网格单元使用八节点线性六面体单元(C3D8)，映射网格划分(见图3)。

图3 路基拓宽三维网格划分

2.4 材料属性

路基填料及地基土都使用Mohr-Coulomb模型、非关联流动法则，桩及圆管涵选用理想线弹性模型，模型参数见表3。地基土固结过程使用ABAQUS提供的流体渗透/应力耦合模块进行模拟，回弹模量、黏聚力和内摩擦角由土工试验和地质勘察报告确定，泊松比按规范选取。

3 数值模拟结果分析

在开挖台阶的基础上对软土进行粉喷桩处治，对模拟对象进行加载，填土加载高度分别为1.6、3.2、4.2、5.2、6.2、7.2、8.2、9 m，模拟加载过程中软土地基上圆管涵的应力变化。图4为各级加载高度下竖向应力云图。

表3 软土地基改扩建模型参数

图4 各级加载高度下竖向应力云图(单位：N)

由图4可知：加载到1.6 m时，填土顶端区域数值为负，说明填土受到由于自重引起的压应力；加载到3.2 m时，填土顶端区域数值变成正，说明填土顶端受到拉应力。加载高度为1.6 m时，由于加载高度小，填土顶端区域受到压应力；加载高度为3.2～9 m时，填土顶端拉应力变化很大，涵洞附近应力值变化很大，说明周围土体对圆管涵产生应力集中；新老路堤的压应力变小，且变化缓慢，涵洞对周围土体有应力消散的作用。随着填土高度的增加，最大沉降发生在涵顶的路基区域，而且沉降随高度增加而增加，老路堤地基固结已基本完成，相对于新路堤地基沉降小很多。填土高度增加时，填料对老路堤边坡产生的附加应力越来越大，使老路堤产生附加沉降，形成离路中心越远则沉降越大的趋势。

如图5所示，经粉喷桩处理后，路基顶部沉降从路基中线至拓宽路基路肩处逐渐增大，且随着加载高度增加，拓宽路基部分沉降增加幅度增大。这是因为随着填料加载高度的增加，靠近新老路堤的地基产生的附加沉降增大，原有路基仅在拓宽路基边载作用下产生很小的竖向位移。总体来说，经粉喷桩处理后，路基沉降整体较小。加载高度为3.2 m时，由附加应力引起的附加沉降为5 mm；加载高度为4.2 m时，差异沉降为6 mm；加载高度为5.2 m时，差异沉降为7 mm；加载高度为9 m时，差异沉降达15.1 mm。随加载高度增加，路基差异沉降增大。加载高度为1.6、3.2、4.2、5.2、6.2、7.2、8.2、9 m时，对应路基最大沉降分别为2.7、5、7.2、9、11.8、15.2、18.5、22.3 mm。

图5 不同加载高度下新路基沉降曲线

如图6和图7所示，随加载高度增加，地基最大沉降增加。填土高度为3.2 m时的差异沉降为2.0-0=2.0 cm，4.2 m时的差异沉降为2.4-0.1=2.3 cm，5.2 m时的差异沉降为2.8-0.2=2.6 cm，6.2 m时的差异沉降为3.3-0.4=2.9 cm。按此规律，每加载1 m，施工沉降为0.3 cm，加载到9 m时，新路基已施工完毕，差异沉降为3.5-0.8=2.7 cm，软土地基处理恰当，满足工程要求。

图6 不同加载高度下新地基最大沉降

图7 不同加载高度下新路基最大沉降曲线

4 结论

(1) 高液限红黏土的最佳含水率为19.4%，CBR值在4.3以上，能满足上下路堤的填筑要求。在偏湿状态下进行碾压，可提高工作效率。

(2) 对高液限红黏土掺加40%碎石进行改良可满足路基填筑要求，填筑时应控制好含水率，必要时在碾压前进行翻土晾晒。

(3) 随填土高度增加，周围土体对涵洞产生应力集中，涵洞对路基有应力分散的作用；经过粉喷桩处理后，路基差异沉降为2.7 cm，软土地基处理恰当。