交通荷载下的软土复合地基道路工程性状研究

刘 彬

（中铁十八局集团 第四工程有限公司，天津 300350）

软土主要由黏土颗粒和粉土颗粒组成，这些颗粒表面带有负电，对周围介质的水和阳离子具有极强的吸附作用，造成其具有高含水量的特性。软土渗透系数通常为1×10-8～1×10-10m/s，在受到荷载作用时，其固结时间较长，且压缩系数较大（约为0.5～1.5 MPa-1），软土孔隙比大于1.0，导致公路工程软土复合地基在施工完成后产生较大的固结沉降。在叠加动态作用下的交通荷载时，路基产生不均匀沉降，道路结构出现裂缝和错台等问题影响道路的使用性能和服役时间［1-2］。因此，系统地研究交通荷载下的软土复合地基道路工程性状具有十分重要的现实意义［3］。

戴天毅等［4］采用微元体静力平衡原理，推导出了路堤荷载作用下刚性软土复合地基的沉降计算公式；李良勇等［5］采用室内试验的方法研究了加筋碎石软土复合地基的承载性能和变形性状，研究结果表明，排水条件对软土复合地基桩体的变形和稳定性影响明显，排水条件可以有效降低桩体的弯曲变形；徐林荣等［6］针对上海地区典型饱和软黏土，引入软化指数极限值，建立了软土累积塑性应变模型，用于计算运营期内车辆荷载引起的软土复合地基沉降。

本文结合武夷新区快速通道道路工程实际工程案例，运用动态弹塑性有限元程序，建立包含土体压缩和固结效应的有限元模型，考虑材料的弹塑性行为、应力应变关系以及时间依赖性等因素，分析软土的累积塑性应变和软土复合地基的沉降变化特征。

1 工程概况

武夷新区快速通道路线全长5.129 km，主线路基长度约为4.209 km，设计为双向6 车道，路基宽度为42 m（中间预留14 m 作为轨道交通建设），设计速度为80 km/h，道路路面采用沥青混凝土结构形式，其中，碎石基层厚度为0.40 m，沥青混凝土路面厚度为0.30 m。施工区域软土主要为软～流塑状①-3淤泥质黏土、软塑状②淤泥质粉质黏土和软～可塑状③淤泥质粉质黏土，场区岩土工程地质条件见表1，各软土层主要物理力学参数见表2。

表1 场区岩土工程地质条件

表2 各软土层的物理力学参数

在施工过程中，软土复合地基采用双向粉喷桩处理，软基处理路段约2.234 km，搅拌桩总量约为36×104m3，设计桩长为10 m，桩间距为1.1 m 的双向粉喷搅拌桩成桩时间为28 d，桩间距为1.2 m 的双向粉喷搅拌桩成桩时间为90 d。桩体呈梅花形布置，桩头上部铺设0.8 m 厚的碎石垫层和双层钢塑格栅。

2 交通荷载作用下软土复合地基性状变形分析方法

为了研究交通荷载作用下软土复合地基的性状，运用动态弹塑性有限元软件进行计算，计算流程如图1 所示。计算时考虑孔隙水压力的影响，交通荷载作用下软土复合地基孔隙水压力模型和软化模型见式（1）和式（2）。

图1 动态弹塑性有限元程序计算过程

其中，rc为循环应力比，rt为循环应力比阈值，m 为软基处 理置换 率，a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3和b4为待定常数。

其中：T 为软化参数，σ3为围压，pa为大气压力。交通荷载采用匀速移动的荷载模型，其为时间、速度和汽车轴重的耦合函数，计算公式［8］为

式中：F（t）为交通荷载；P 为汽车轴重，本研究取车辆标准轴荷为100 kN，轮胎标准静内压为0.7 MPa；δ（xvt）为汽车运动函数，x 为距离，t 为时间，v 为汽车行驶速度。

结合路基的结构设计和地层结构，计算时地层参数取值见表2。沥青混凝土路面的弹性模量取1.3×103MPa，泊松比取0.167，密度为2 450 kg/m3；碎石基层的弹性模量为400 MPa，泊松比为0.20，密度为2 360 kg/m3；处理后软土复合地基的弹性模量为40 MPa，泊松比为0.30，密度为1 900 kg/m3；碎石垫层的泊松比为0.30，弹性模量为50 MPa，密度为2 000 kg/m3。道路面层和基层均符合弹性本构模型，在交通荷载作用下符合弹塑性小变形假设，而各土层符合摩尔-库伦本构，道路结构各层和土体均符合变形连续性假定，在未受到交通荷载时，土体的初始孔压力为零，而受到交通荷载后土体弹性模量不会发生改变，土体产生的变形连续不会发生相对滑动。软土复合地基的数值计算模型如图2 所示。

图2 软土复合地基的数值计算模型

3 存在交通荷载时软土复合地基的变形特征

3.1 软土的累积塑性变形特征

为了研究软土在交通荷载下的变形工作性能，计算时将软土复合地基中软～流塑状①-3淤泥质黏土的弹性模量设置成3 种不同的计算工况，分别为：工况A 条件下的压缩模量为2.8 MPa，工况B 条件下的压缩模量为5.0 MPa，工况C 条件下的压缩模量为10.0 MPa。交通荷载循环加载次数设置为10 000 次。

交通荷载作用时不同工况下软土的累积塑性应变计算结果如图3 所示。从图3 中可以看出：随着交通荷载循环加载次数的增加，不同压缩模量工况的软土累积塑性应变变化规律基本一致，均呈现非线性增加，并呈现不断收敛的趋势。交通荷载对软土复合地基中的软土不断压缩，导致其发生塑性应变的增加，同时，软土的固结速率和排水速率也不断增加，在循环次数增加至一定程度后，软土塑性应变累积的速率放缓；在相同的交通荷载循环加载次数条件下，随着软土压缩模量的不断增加，软土的累积塑性应变不断减小，且当软土压缩模量由2.8 MPa 增加至5.0 MPa 时，累积塑性应变的降幅明显大于当软土压缩模量由5.0 MPa 增加至10.0 MPa 时累积塑性应变的降幅。增加软土的压缩模量在一定程度上可以改善土体的抗变形能力，但这种变形的改善效应具有一定的限度。在交通荷载循环荷载加载次数达到10 000 次时，工况A 条件下的软土累积塑性应变收敛于3.57%，工况B 条件下的软土累积塑性应变收敛于2.74%，工况C 条件下的软土累积塑性应变收敛于2.64%。

图3 交通荷载作用下软土的累积塑性应变

3.2 软土复合地基的累积沉降变化特征

软土复合地基在交通荷载作用下的累积沉降变化情况如图4 所示。由图4 可知：当交通荷载循环加载次数不断增加时，地基的累积沉降曲线呈现反“S”形变化规律：当加载次数小于10 次时，软土复合地基的累积沉降呈线性增加，且其增长速率较小，当加载次数在10～1 000 次时为交通荷载的动力效应作用过程，地基的沉降速率大大增加；当加载次数大于1 000 次后，地基的累积沉降趋于收敛。

图4 软土复合地基在交通荷载作用下的累积沉降变化过程

4 结论

本文以武夷新区快速通道工程软土复合地基处理段为研究对象，运用动态弹塑性有限元软件模拟软土复合地基在交通荷载作用下的变形过程，分析软土的累积塑性应变和地基的沉降变化特征，得到结论如下。

（1）随着交通荷载循环加载次数的增加，不同压缩模量工况的软土累积塑性应变变化规律基本一致，均呈现非线性增加，并呈现不断收敛的趋势；在相同的交通荷载循环加载次数条件下，随着软土压缩模量的不断增加，软土的累积塑性应变不断减小。

（2）随着交通荷载循环加载次数的不断增加，地基的累积沉降曲线呈现反“S”形变化规律，当加载次数大于1 000 次后，地基的累积沉降趋于收敛。