基于抛石挤淤加固机理的软土路基变形特性及影响因素研究

刘洋铭,朱海华,唐国林,张亮峰,刘意楠

(广西路建工程集团有限公司,广西 南宁 530001)

0 引言

我国东部沿海地区分布着大量含有淤泥质土的软土,其具有含水率高、孔隙大、渗透性低及抗剪能力弱等特点,这导致路基施工难度较大。为了保证工程施工和后续运营的安全,需要对软土地基进行严格处理。抛石挤淤法是处理软土地基最常用的方式之一,其原理简单,用抛石体将淤泥质挤出置换,改变软土地基的力学性质,施工工艺简单,得到了广泛的应用[1-2]。近年来,国内学者对此进行了大量研究,高迎伏等[3]等采用抛石挤淤法对某沿海高速路基进行了处理并基于现场试验对处理效果进行了评价。顾卫星、孟博等[4-5]采用Midas GTS有限元软件对辽宁某高速公路软土路基抛石挤淤进行了模拟研究,得出路基沉降量随抛石深度的增加而减小。张涛、贾海宗等[6-7]对抛石挤淤施工的优缺点、适用范围及控制措施进行了研究。本文以某公路路基工程采用抛石挤淤法处理软土路基为例,采用PLAXIS有限软件进行建模分析,重点分析了抛石挤淤处理地基后路基的沉降量、水平位移及孔隙水压力的变化规律,并探讨了抛石体厚度、模量及宽度对路基沉降量的影响,以期为软土路基处理的设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

本文以某公路路基工程采用抛石挤淤法处理软土路基为例进行研究。该软土路基宽度设计值为30 m,路基设计高度为2 m,路基边坡坡度为1∶1.5,下部地层主要为淤泥质土及粉质黏土,淤泥质土层厚度约为10 m,粉质黏土层厚度约为10 m。抛石挤淤法处理软土路基后抛石挤淤体厚度为2 m,抛石挤淤体宽度为40 m。

2 数值建模

如图1所示,根据某抛石挤淤法处理软土路基工程参数,利用有限元软件PLAXIS建立数值模型图。根据对称性原则取路基宽度的一半进行研究,上部边界为实际工况,下部边界为约束位移边界且透水,左侧及右侧边界为约束水平位移边界且不透水。为尽量消除边界条件的影响,选取地基深度为20 m。模拟计算过程中各地层力学计算均采用摩尔-库仑准则。表1为各层土体的物理力学参数表。

表1 土体的物理力学参数表

图1 数值模型图

3 数值结果分析

3.1 抛石挤淤处理后路基沉降分析

图2为原始未处理路基及抛石处理地基路基各点总沉降量及工后沉降量的对比曲线图。由图2可以看出,抛石处理淤泥地基后路基各点的总沉降量及工后沉降量相对于原始未处理路基各点的沉降量均明显减小,路基中心部位沉降量最大,随着离路基中心距离的增加,沉降量逐渐减小。原始未处理地基最大总沉降量为195.2 mm,抛石挤淤处理后最大总沉降量为164.8 mm,最大总沉降量减小了30.4 mm。原始未处理地基最大工后沉降量为37.4 mm,抛石挤淤处理后最大工后沉降量为20.7 mm,最大工后沉降量减小了16.7 mm。由此可以看出外部荷载相同时,抛石挤淤处理地基对于抑制路基沉降效果显著,这主要是因为抛石挤淤体置换了部分淤泥质土后地基的复合模量增加。

图2 原始地基与抛石处理地基路基沉降量对比曲线图

3.2 抛石挤淤处理后路基水平位移分析

图3为原始未处理地基及抛石处理地基各点水平位移随深度的变化关系对比曲线图。由图3可以看出,原始未处理地基及抛石处理淤泥地基后各点水平位移随深度的增加均呈现先增大后减小的规律。在地基浅部,抛石挤淤处理后的水平位移相对于原始未处理地基的水平位移明显减小。原始未处理地基的初始水平位移为44.8 mm,抛石挤淤处理后的初始水平位移为16.4 mm,抛石处理后初始水平位移减小了28.4 mm,说明抛石挤淤处理可以很好地抑制地基浅部位移的发展。这主要是因为抛石体模量大、块体间摩擦力高。此外,随着深度的增加,抛石挤淤处理对水平位移的抑制作用逐渐减弱,并且在地基深处,抛石挤淤处理后的水平位移略大于原始未处理地基的水平位移。这主要是应力扩散作用造成的,高模量抛石体相对于淤泥质土具有较高的承载力,可以将应力传递至地基深处。

图3 原始地基与抛石处理地基地层水平位移对比曲线图

3.3 抛石挤淤处理后路基孔隙水压力分析

图4为原始未处理地基及抛石处理地基地下2 m及地下5 m孔隙水压力随时间的变化关系对比曲线图。由图4可以看出,在前期预压作用下,孔隙水压力先快速上升。预压结束后孔隙水压力随时间逐渐减小。预压后,抛石挤淤处理后孔隙水压力在前期及中期显著下降,说明抛石挤淤体具有较好的排水效果,可以加快孔隙水压力的消散,提高地基的承载力。这主要由于抛石挤淤块体相对于淤泥质土间隙较大,渗透性较好,模量高,可以形成良好的排水通道,向深部传递更大的挤压作用。

图4 原始地基与抛石处理地基孔隙水压力对比曲线图

3.4 抛石参数对路基沉降的影响

3.4.1 抛石厚度对路基沉降的影响

图5为抛石处理厚度分别为2 m、3 m及4 m时路基各点沉降量的变化关系曲线图。由图5可以看出,随着抛石体厚度的增加,路基沉降量显著减小。当抛石体厚度为2 m时,路基最大沉降量为164.8 mm;当抛石体厚度为3 m时,路基最大沉降量为144.3 mm,相对于抛石体厚度为2 m时路基沉降量减小了20.5 mm;当抛石体厚度为4 m时,路基最大沉降量为122.4 mm,相对于抛石体厚度为2 m时路基沉降量减小了42.4 mm。这说明抛石体厚度越大,路基的处理效果越好,这主要是由于高模量的抛石体具有较好的承载力。因此,在工程实际应用中应尽可能增大抛石挤淤置换的深度。

图5 抛石厚度与路基沉降量的关系曲线图

3.4.2 抛石模量对路基沉降的影响

图6为抛石模量分别为30 MPa、40 MPa及50 MPa时路基各点沉降量的变化关系曲线图。由图6可以看出,随着抛石体模量的增加路基沉降量略有减小,但减小幅度并不明显,说明抛石模量的变化对路基沉降量的影响不大。这主要是由于抛石体模量相较于淤泥质土及路基土更高,在普通工程荷载作用下,抛石体本身变形量较小,自身模量已满足加强地基及应力传递的作用。

图6 抛石模量与路基沉降量的关系曲线图

3.4.3 抛石宽度对路基沉降的影响

图7为抛石宽度分别为0 m、2 m及4 m时路基各点沉降量的变化关系曲线图。由图7可以看出,随着抛石宽度的增加路基沉降量略有减小,但减小幅度并不明显,亦说明抛石宽度的变化对路基沉降量的影响不大,工程施工时抛石宽度仅需满足施工作业即可。

图7 抛石宽度与路基沉降量的关系曲线图

4 结语

本文以某公路路基工程采用抛石挤淤法处理软土路基为例,采用PLAXIS有限软件进行建模分析,重点分析了抛石挤淤处理地基后路基的沉降量、水平位移及孔隙水压力的变化规律,并探讨了抛石体厚度、模量及宽度对路基沉降量的影响。得出的结论如下:

(1)抛石处理淤泥地基后路基各点的总沉降量及工后沉降量相对于原始未处理路基各点的沉降量均明显减小,抛石挤淤处理地基对抑制路基沉降具有较好的效果。

(2)在地基浅部抛石挤淤处理后的水平位移相对于原始未处理地基的水平位移明显减小,在地基深处抛石挤淤处理后的水平位移略大于原始未处理地基的水平位移,抛石挤淤处理可以很好地抑制地基浅部位移的发展。

(3)抛石挤淤处理后孔隙水压力在前期及中期显著下降,抛石挤淤体具有较好的排水效果,可以加快孔隙水压力的消散,提高地基的承载力。

(4)随着抛石体厚度的增加路基沉降量显著减小,抛石体厚度越大路基的处理效果越好;随着抛石体模量、宽度的增加路基沉降量略有减小,但减小幅度并不明显,抛石模量、宽度对路基沉降量的影响不大。