黄土地区高速公路路基地基加固作用机理与应用模拟研究

王 伟

（中交一公局第一工程有限公司， 北京 102205）

0 引言

我国西部黄土地区高速公路建设过程中的湿陷性问题突出，国内外针对灰土挤密桩进行地基加固处理进行了一系列研究[1-2]，其中具有代表性的有：文献[3-5]基于挤密桩和DDC 桩加固湿陷性黄土地基进行系统研究，最后得出DDC 桩在处理大厚层湿陷性黄土具有良好的效果，最大处理深度可达20m。文献[6-10]研究了多种材料形式与施工工艺灰土挤密桩加固湿陷性黄土地基效果，并得出挤密桩的最佳处理深度为小于10m；张勤和武志荣主要针对灰土挤密桩法加固湿陷性黄土地基处理过程中的技术问题和相关机理进行了研究，最后提出相应的措施[11-12]。分析可知，关于湿陷性黄土地区地基加固问题取得了一定成果，但对设计、实施及机理与应用分析等全过程研究的较少，本文将基于此展开全过程研究，研究结果可为湿陷性黄土地区路基加固设计、实施与理论等方面提供依据与参考。

1 黄土地区高速公路及路基土质概况

甘肃定西地区的土质均匀、稍湿-中密状的黄褐色洪积黄土，天然含水率10%～20%左右，随着深度呈递增趋势，在沟岸边含水量较低；因其为风积黄土，垂直节理明显、小孔隙较为发育，常有蜗牛壳和钙质结合物，其湿陷性明显。通过现场地质勘查可知：地震动峰值加速度为0.20g，重要性系数和综合系数分别为1.3 和0.25。

2 湿陷性黄土路基挤密桩加固机理与相关参数确定

为研究对象定西地区高速路基沉降问题，需考虑材料的弹性变形和塑性变形。基于黄土由岩石风化形成，具有疏松、多相、多变等特性；加之，天然土体结构不均匀性、流变性造成的土体完全不同应力状态；因此，现有材料本构模型均不能全面的、精确的反映天然黄土的特征。本文为解决这一问题，针对定西地区黄土沉降过程拟采用Mohr-Coulomb模型进行研究分析其加固机理，为现场加固方案的设计与实施提供理论依据。

Mohr-Coulomb 模型主要包括：体积模量 和剪切模量 、密度、泊松比、摩擦角、内聚力 等六个参数。其中，参数 和 需在试验得到的弹性模量E 和泊松比的基础换算得出：

为使挤密加固前后湿陷性黄土路基本构模型满足摩尔摩擦定律，将主应力采用满足摩尔-库伦屈服条件的屈服函数表示为：

在以上的屈服函数中均含有内摩擦角和内聚力两个强度参数，则六个屈服函数可将主应力空间表示为一个六棱锥。其中，（1）杨氏模量（是强度参数，加固前后的路基土体加载时，采用强度割线50%处的模量；（2）泊松比：研究黄土地区路基土体加固时，取值在0.3～0.4 范围；（3）黏聚力用于体现路基土体强度；（4）内摩擦角：在内摩擦角较大时，内摩擦角与塑性计算量成正比，且内摩擦角对抗剪强度的影响比较大。

3 路基灰土挤密桩设计与实施

3.1 方案设计

基于该地区的土质情况与高速公路设计运营等级，拟采用梅花形布置，长度为6000mm、间距为1200mm 的Φ400mm 灰土挤密桩进行地基加固，处理后承载力值不低于200kPa。

3.2 现场实施

（1）前期准备：需将现场使用的石灰消解并达标，需严格控制下承层的相关指标(如：表面平整、标高、压实度、起拱等指标)，并其表面进行酒水润湿；（2）严控含水量：如遇高温暴晒，必须洒水措施；（3）石灰的撒布和翻拌直接决定着改良土路基的压实质量和强度，根据现场试验段的铺筑效果确定选取撒布机均匀撒布石灰后采用稳定土路拌机翻拌法配合压路机压实的路基方法。其中：首次翻拌至距底部2～3cm，以消除下沉的石灰夹层；后期每次要拌和到底，使上下两层充分结合；翻拌两遍后，如含水量满足要求，无明显的花面、灰块或“窝或带”等现象即可；否则需要进一步翻拌、洒水等处理，直至达标；（4）桩基加固施工前，首先要对现场进行清表、整平或洒水碾压等措施；（5）采用100～300kg、静压力不小于20kPa 的夯锤夯实成桩。

4 路基灰土挤密桩应用分析

灰土桩挤密法成孔时，桩体致使桩周围土体挤密而改善其力学指标，如：压缩比减小、密实度增大；灰土挤密桩加固后的湿陷性黄土复合地基的下部应力扩散有所加快。

4.1 约束条件的确定

为研究湿陷性黄土路基加固前后的力学特性，主要围绕路基堆载过程中的地基沉降；研究路基加固前后在Z 方向上的位移以及应力变化，则在模型的底部进行X、Y、Z 方向的约束、四周施加X、Y 方向约束。

4.2 最大主应力（见图1、图2）

4.2.1 纵向分布特征

加固处理后的湿陷性黄土路基最大主应力σmax分布明显不均匀：（1）桩体与桩间的应力呈“纵向条状”横向相间特征、且差异明显；（2）下卧层的主应力较加固前沿深度方向均有所增大、且呈锯齿状分布，但影响逐渐减弱，最终变化与分布趋势与天然应力场一致。

4.2.2 横向分布特征

根据理论模拟结果可知：（1）复合地基横向分布的最大主应力与原状土相比，在桩区两侧、边界处和下部应力突变明显(下部最为明显）；（2）下卧层最大主应力沿着竖向逐渐减弱。

4.3 最小主应力

最小主应力的变化方面，加固前后地基的整体变化较小；具体通过分析图3 和4 可知：

4.3.1 纵向分布特征

在地基内部，复合地基的最小主应力分布均匀且有所提高，与最大主应力分布特征类似，但锯齿状应力分布区域不明显。

4.3.2 横向分布特征

与最大主应力的横向分布特征类似，均在与原状土接触的边界位置发生应力突变，但变化较小。

4.4 协调变形

分析可知：（1）加固处理后复合地基的变形特征与应力场不同；（2）处理后的地基变形是均匀、连续的；（3）处理后地基呈现垂直条带状相间连续变化分布，而路中心较外侧坡脚的变形稍大。

5 结束语

本文通过对甘肃地区湿陷性黄土高速路基作用加固机理进行研究，进一步提出相应的加固设计方案和现场实施步骤，最后借助数值模拟分析方法，对加固前后黄土高速路基的最大、最小应力和协调变形特性进行研究，得到如下结论：

（1）基于甘肃地区湿陷性黄土特点，对路基挤密桩加固机理及相关参数进行分析与确定，为加固方案设计与实施、理论模拟研究提供依据。

（2）灰土挤密桩复合地基中桩体与桩间的应力差异明显，在加固区域的最大、最小主应力均呈“纵向条状”横向相间的连续变化特征。

（3）湿陷性黄土地基加固后的沉降变形是均匀连续的，区别于应力场分布规律；加固后沉降变形有明显的减小。

（4）挤密桩复合地基的处理区内变形是均匀的，即桩体与桩间土体的变形是同步的。