公路湿陷性黄土地基处置效果对比分析

■李宇佳

（长治市至诚公路监理检测有限公司，长治 046000）

黄土在我国分布广泛， 由于受到形成原因、气候等因素影响，约60%的黄土具有湿陷性。 当湿陷性黄土含水量超过一定值[1]，在外部荷载作用下就会产生塌陷，而以湿陷性黄土作为地基的公路结构也会出现相应的变形破坏。 湿陷性黄土处置不当会使路基出现不均匀沉降、沉陷等病害[3-4]，破坏道路结构，影响安全行车。 为了消除黄土的湿陷性，可根据施工现场地质调查结果确定处置方案，常用的方法有翻压法、挤密桩法、CFG 桩等[2]。 国内外学者和工程技术人员经过多年的研究和实践，积累了大量实践经验，并总结得出了较为完善的湿陷性黄土处置方案。 然而，由于各个地区地质条件差异较大，不同处置方法的施工成本也存在一定差异，必须根据现场地质条件调整施工参数，合理确定处置方案。为确定最佳的处置方案，本文以某高速公路湿陷性黄土地基处置作为研究背景，利用有限元对比分析采用翻压法和灰土挤密桩2 种方法的处置效果，在综合考虑各方面因素的情况下合理选择处置方案。

1 依托项目湿陷性黄土地基概况

某高速公路建设项目沿线分布有大量湿陷性黄土地基，路基设计宽度为24.5 m。 该地区全年降雨主要集中在雨季，7—9 月降雨量较大， 其他月份降雨量较少；昼夜温差较大，偶有雨雪冰雹等灾害性天气，夏季炎热，冬季寒冷，四季分明。 施工区域地处黄土高原，受河水冲蚀作用，沟壑纵横，地形起伏高度较大，沿线最大高差约为350 m。其中K14+205～K22+526 段、K33+152 ～K37+355 段 和K46+338～K49+796 段为湿陷性黄土地基，特别是K33+152～K37+355 段为黄土丘陵地貌，地形起伏不大，地质条件较差。该路段地基土上层为第四系上更新统黄土，下伏老黄土，未浸水状态下质地坚硬，经现场取样进行室内试验得出黄土湿陷性系数在0.07～0.08，δzs＜0.015，断湿陷等级为Ⅱ级非自重性湿陷性黄土，具中压缩性，湿陷性等级较高。 综合考虑各方施工因素，拟采用翻压法和灰土挤密法2 种方案进行处置。

2 有限元模型建立

2.1 建立几何模型

本文选取地质条件较差的K34+100～K34+200段湿陷性黄土地基作为研究对象，根据翻压法和灰土挤密桩处置施工参数，建立几何模型。 翻压处置开挖后在地基土内部掺入8%的石灰，并反复碾压至压实度达到96%以上。 灰土挤密桩设计桩径为0.5 m，桩身采用3∶7 灰土，以正三角形间距1 m 布置，桩长为5～7 m，具体根据现场湿陷性黄土厚度确定。 考虑到路基沿中线对称[5]，为了减少计算工作量，只取一半路基建立几何模型，路基宽度为12.25 m、路堤填方高度为5 m，边坡坡度为1∶1.5，地基宽度为50 m，计算深度为20 m，建立几何模型如图1 所示。

图1 路基几何模型

2.2 材料参数

根据设计文件和现场地质勘察报告[6]，确定模型各部分计算参数（表1）。

表1 模型各部分计算参数

2.3 边界约束条件

本文主要研究采用翻压法和灰土挤密桩2 种方法处置后湿陷性黄土地基的沉降情况，分析确定模型边界约束条件为：模型底部全约束，模型顶部自由；模型4 个侧面Z 方向自由，X、Y 方向约束。

3 有限元模拟结果对比分析

3.1 地基沉降对比分析

3.1.1 翻压法处置地基沉降计算结果

通过模拟路堤填筑过程，随路堤填筑高度的增加填土荷载也随之增加，按照逐级加载的方式计算地基沉降量。 为分析翻压法对黄土湿陷性的消除效果， 分浸水和未浸水2 种工况计算地基沉降量，整理数据绘制不同工况路基沉降云图和不同部位地基沉降变化曲线如图2、3 所示。

分析图2 和图3 可知，在未浸水工况下地基沉降量较小，浸水后地基沉降量明显增加，说明浸水后地基土仍会产生较大的湿陷变形。 未浸水路基中心位置沉降量最大， 随距路基中线距离增加而下降，基本呈现线性下降的变化趋势。 浸水后地基沉降出现了较大变化，沉降量最大值出现在距路基中心线约9 m 的位置，地基沉降大体呈现“V”字形。未浸水地基沉降最大值为17.32 cm，浸水后地基沉降最大值为24.61 cm，沉降量增加了7.29 cm，浸水后仍产生了较大的沉降，说明采用翻压法处置后地基土仍具有一定的湿陷性。

图3 地基沉降变化曲线

3.1.2 灰土挤密桩处置地基沉降计算结果分析

同样按照上述加载方式，对采用灰土挤密桩处置后的湿陷性黄土地基沉降进行模拟计算。 在未浸水和浸水2 种工况下计算地基沉降量，得出地基沉降云图和地基沉降曲线如图4、5 所示。

图4 不同工况地基沉降云图

图5 地基沉降变化曲线

分析图4、5 可知，在未浸水和浸水2 种工况下地基沉降量略有差异， 但浸水后沉降增加幅度较小，且地基沉降总体变化趋势相近。2 种工况下地基沉降量最大值均出现在路基中线位置，未浸水工况下沉降量最大值为14.34 cm，浸水工况下沉降量最大值为15.98 cm，浸水后沉降量增加了1.64 cm，沉降量增幅较小，说明采用灰土挤密桩有效消除了地基土的湿陷性，提高了地基的稳定性。

3.1.3 2 种方法地基沉降对比分析

采用翻压法在未浸水工况下地基最大沉降出现在路基中线位置，沉降最大值为17.32 cm；采用灰土挤密桩处置最大沉降量为14.34 cm，两者位置相同，沉降量相差2.98 cm，相差不大。 浸水后采用翻压法处置地基沉降最大值出现在距路基中线9 m位置，最大沉降量为24.61 cm；而采用灰土挤密桩处置地基浸水后最大沉降值仍出现在路基中线位置，最大沉降量为15.98 cm，两者相差8.63 cm，相差较大，说明采用灰土挤密桩处置可有效消除地基土的湿陷性，降低地基沉降，提高路基稳定性。

3.2 地基沉降不均匀性对比分析

3.2.1 翻压处置地基沉降不均匀性计算结果

湿陷性黄土地基由于受到地下水、外部荷载等因素的影响，容易产生不同程度的不均匀沉降。 为了确定2 种方法对湿陷性黄土地基的处置效果，分别在1/2 渗水、2/3 渗水和全渗水3 种工况下对地基的不均匀沉降进行计算， 对比分析确定最优方案。对翻压处置路段进行模拟分析，整理计算结果绘制不同工况下地基沉降变化曲线如图6 所示。

图6 不同工况下地基沉降变化曲线

分析图6 沉降曲线变化趋势，可以得出随渗水量的增加，地基各部位沉降量随之增加，地基在翻压处置后仍存在不均匀沉降，且随渗水量的增加不均匀沉降幅度越大。在1/2 渗水工况下，距路基中线约9 m 位置出现了小幅度的不均匀沉降； 在2/3 渗水工况下，距路基中线约8 m 位置出现了小幅度的不均匀沉降；在全渗水工况下，在距路基中线约9 m位置出现了严重的不均匀沉降，地基变形严重，与路基中线位置最大沉降差为7.51 cm。 根据上述分析结果，得出随渗水量的增加翻压处置后的湿陷性黄土地基仍会产生不均匀沉降，说明采用翻压处理对地基不均匀沉降的控制效果一般。

3.2.2 灰土挤密桩处置地基沉降不均匀性计算结果

同样在1/2 渗水、2/3 渗水和全渗水3 种工况下对灰土挤密桩处置的地基不均匀沉降进行计算，整理计算结果， 绘制不同工况下地基沉降变化曲线，如图7 所示。

图7 不同工况下地基沉降变化曲线

分析图7 沉降曲线变化趋势，可以得出随渗水量的增加，地基沉降量随之增加，从1/2 渗水到2/3渗水工况，沉降增加幅度较大，从2/3 渗水到全渗水工况，沉降量增加幅度较小，未出现不均匀沉降情况。 在3 种工况下，沉降量最大位置均出现在路基中线位置， 随距路基中线距离的增加均匀下降，且最大沉降量远小于翻压法处置地基，说明采用灰土挤密桩处置后地基结构稳定， 没有产生不均匀沉降，进一步说明灰土挤密桩处置效果可有效消除地基土的湿陷性。

3.3 现场沉降监测结果分析

以K34+100～K34+200 段为试验段， 按照上述灰土挤密桩设计参数进行施工，完工后在地基顶部布设沉降管，在路基填筑过程中对全断面沉降进行监测。每20 m 布置1 个监测断面，试验段共设置5 个监测断面。本文取沉降量最大的K34+140 段作为研究对象，沉降监测周期为6 个月，分别取监测前期和后期各2 次监测结果，收集监测数据绘制沉降变化曲线如图8 所示。

图8 K34+140 全断面沉降变化曲线

分析图8 沉降曲线变化趋势可知，监测沉降量前期随时间增加增幅较大，后期增幅很小，路基中线部位沉降量最大，向两侧路肩沉降量逐步缩小，最终沉降量较小，未出现不均匀沉降。 前2 次监测处于施工阶段，路基沉降量增幅较大，后2 次路基填筑施工完成，沉降逐步稳定。 最后1 次沉降监测路基中线位置沉降量为18.62 cm，沉降量较小。 路基各部位沉降量变化均匀，没有出现不均匀沉降，说明处置后地基结构稳定。 与上述有限元计算结果一致，说明数值模拟分析结果准确，可作为确定湿陷性黄土地基处置最优方案的依据。

4 结语

利用有限元进行数值模拟，对翻压法和灰土挤密桩处置后的湿陷性黄土地基沉降计算结果进行对比分析，并结合现场监测结果确定最优施工方案，得出以下结论：（1）在未浸水工况下采用2 种方法处置后地基沉降相差不大，但浸水后采用灰土挤密桩处置的地基沉降量明显低于翻压法，说明采用灰土挤密桩处置效果更好， 可有效控制地基沉降；（2）在3 种工况下，采用翻压法处置的地基均出现了不同程度的不均匀沉降，而采用灰土挤密桩处置后没有出现不均匀沉降，且地基沉降量也较小，进一步说明灰土挤密桩处置效果更好；（3）现场监测结果表明路基填筑完成后地基沉降量逐步稳定，没有出现不均匀沉降，与有限元计算结果一致，说明灰土挤密桩处置方案合理。