高速公路软土地基施工技术及稳定性实测研究

唐彬凯

摘要 基于软土地基对高速公路建设与使用的危害，以某高速公路工程为例，通过工程基本情况的简单介绍，根据工程地质条件特点，选择最终的软土地基加固方案，即强夯碎石墩加固方案。通过有限元模拟分析与案例分析的方式，验证了强夯碎石墩加固方案的应用效果。结果表明，K47+575～K48+314桩号段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范围内，沉降量在15.47～83.24 mm范围内，均在规定要求范围内。通过强夯置换碎石墩加固方案的应用，显著提高了软土地基的稳定性，有利于降低高速公路路基的沉降量。

关键词 高速公路；地基施工；稳定性；地基加固；强夯碎石墩

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0150-03

0 引言

现代工程领域存在多种软土地基加固技术，如强夯法、强夯碎石墩法、换填法等，每种方法具有不同特点，适用于不同的场所。高速公路软土地基处理时，应根据施工现场地质条件，结合相关规定要求、施工技术水平等多种因素选择最佳的软土地基加固处理技术，为高速公路后续安全使用提供支持。为此，该文介绍一种基于有限元分析的高速公路软土地基加固方案选择方法，对提升现代高速公路软土地基加固效果具有重要意义。

1 工程概况

1.1 基本情况

以某高速公路建设工程为例，介绍一种基于有限元分析的高速公路软土地基加固方案选择方法。该工程全长为46.257 km，起止桩号为K25+124～K71+381，为双向六车道。其中，在K47+575～K48+314桩号段范围内，由于工程靠近河流，周边土壤含水量较高，内部孔隙较大，导致该桩号段内的土质条件较差，属于软弱土质，软土地基长度为739 m。根据以往多年工程经验可知，由于土质条件较差，若未进行任何处理，很容易导致该桩号段的路基建设与使用时出现较大的沉降问题，对车辆行驶带来严重安全隐患。所以，该工程K47+575～K48+314桩号段进行施工时，应采取相应的方式对软土地基进行加固处理，以提升地基强度，避免地基后续出现明显的沉降问题。

1.2 地质条件

通過对某高速公路软土地基段地质条件的勘查可以发现，地基土层由上至下依次为：①素填土层，呈灰色，主要成分为粉质黏土与碎石，其中，碎石粒径在2～10 cm的含量约为40%，层厚在3.00～7.80 m。②淤泥层，呈灰褐色，伴有一定腥臭味，内部有机质含量较高，并含有少量贝壳，层厚在0.40～0.60 m范围内。③粉砂层，呈灰黑色，主要成分包括石英石、长石等，伴有少量充填粘性土，层厚在2.60～8.00 m范围内。④粉质黏土层，呈灰黑色，韧性中等，切面光滑，无摇振反应，层厚在2.50～12.50 m范围内。⑤砾砂层，呈灰黄色，主要成分包括石英石、长石等，部分区域存在少量卵石，级配优良，层厚在0.80～9.50 m范围内。

2 某高速公路软土地基处理方案的选择

根据某高速公路K47+575～K48+314桩号段的地质勘察结果，结合多种软土地基加固方案的对比，最终选择强夯置换碎石墩加固方案，该方案施工流程如图1所示[1]，具体为：

（1）清理施工现场，清除地表的碎石、树枝等杂质，使地表保持洁净，然后以此为基础，在地基表面铺设一层1～2 m的砂石，以此构建出强度相对较高的垫层，为后续施工活动的进行打下良好基础。

（2）通过放样测量的方式，对施工现场进行测量，确定出强夯置换碎石墩的位置、标高等信息，并根据测量结果在现场的适当位置做出标记。

（3）根据前期现场测量结果，将起重机移动到相应位置，并调节夯锤角度，使夯锤中心线与碎石墩中心线处于同一垂线上。

（4）测量强夯之前夯锤的提升高度。

（5）将夯锤自由下落，对地面夯点进行夯击，每次夯击结束后，测量夯坑的深度。若夯坑深度过大，导致夯锤抬起较为困难，则应暂停施工，并在夯坑中添加适量的碎石等填料，使夯坑与周边地表处于同一水平面，并记录下使用填料的数量。反复进行该操作，直到夯击次数、夯坑深度等指标达到要求为止，以此得到一个墩坑[2]。

（6）按照由内向外、间隔跳打的顺序，利用上述方式依次构建出全部夯坑。若软土地基位于斜坡段，应按照一边推向另一边、由高到低的方式进行施工。

（7）对施工现场整平处理，通过低能量满夯将地表松土夯实，然后以水准仪为主要工具，测量地基松土层的高程。

（8）按照分层的方式铺设垫层，每层厚度应控制在500 mm以上，每层摊铺后立即压实，以提升垫层的密实度。

3 某高速公路软土地基处理方案的有限元模拟分析

3.1 地基有限元模型构建

为了了解强夯置换碎石墩在某高速公路软土地基加固中的应用效果，该文采用有限元分析的方式，对加固处理后的路基水平位移与沉降量的变化情况进行分析。模拟分析前，应先将土层厚度、墩体深度等参数录入Phase2软件中，由该软件自动构建出地基有限元模型[3]。实际情况中，土层厚度分布存在一定差异，墩体材料分布不均，若完全按照土层与墩体结构构建模型，不仅难度较高，而且效率较低，不利于后续模拟分析的进行。所以，为了方便研究，该文作出以下假设：研究区域土层完全一致，墩体材料均匀分布[4]。其中，主要参数包括：地基宽设置为7.5 m；地基中心线高设置为7.88 m；地基边坡坡度设置为1∶1.5；斜坡段软土地基厚度设置为6 m；斜坡坡度设置为1∶10；墩体孔径设置为1.4 m；相邻两墩体间距设置为2.5 m；墩体深度设置为6 m；碎石垫层厚度设置为0.5 m。由此，可以得到如图2所示的地基模型。

3.2 基于斜坡段软土地基的沉降变形模拟分析

根据某高速公路K47+575～K48+314桩号段具体情况，分别针对水平段与斜坡段设置了两种路基方案：水平段未处理方案与强夯置换碎石墩加固方案；斜坡段未处理方案与强夯置换碎石墩加固方案。然后，分别模拟分析了不同方案条件下，公路路基位移与变形情况。

3.2.1 水平位移分析

以图2所示模型为基础，模拟分析地基水平位移的分布情况。结合仿真分析可知，在水平段路基方面，未采用加固方案时，地基两侧水平位移分布情况呈左右对称趋势，左侧地基逐渐向左侧位移，右侧地基逐渐向右侧位移，位移峰值为41.95 mm，位于上下坡脚。采用强夯置换碎石墩加固方案时，地基水平位移分布趋势与未加固时基本相同，仅数值上存在一定差异，位移峰值约为24.95 mm。水平段加固前后，地基水平位移峰值下降了17 mm，下降率达到了40.52%。同时，在碎石墩处，水平位移基本与周边土体相同。由此表明，强夯置换碎石墩对水平段软土地基具有良好的加固效果。强夯置换碎石墩的加固效果如图3所示。

在斜坡段路基方面，未采用加固方案时，地基两侧水平位移分布情况并不相同；相对于坡度较高位置，坡度较低位置处水平位移分布区更大，且水平位移量更高；其中，峰值位于下坡脚，数值约为155.7 mm。采用强夯置换碎石墩加固方案时，地基水平分布趋势与未加固时基本相同，仅数值上存在一定差异，位移峰值约为34.3 mm；相对于未加固时，强夯置换碎石墩加固后水平位移量降低了121.4 mm，下降率约为77.97%。同时，在碎石墩处，水平位移基本与周边土体相同。由此表明，强夯置换碎石墩对斜坡段软土地基具有良好的加固效果。

3.2.2 沉降量分析

以图2所示模型为基础，模拟分析地基沉降量分布情况。通过仿真实验可知，在水平段路基方面，未采用加固方案时，地基两侧沉降量分布情况呈左右对称趋势，越靠近中心，地基沉降量越大，峰值约为101.47 mm。同时，在路基外侧靠近坡脚，均存在一定凸起，凸起量约为16.25 mm，远低于地基上的沉降量。采用强夯置换碎石墩加固方案时，地基沉降量分布趋势与未加固时基本相同，仅数值上存在一定差异，沉降量位于地基中心，峰值约为59.03 mm。但路基外侧凸起范围较大，数值约为3.5 mm。斜坡段加固前后，地基沉降量峰值下降了42.44 mm，下降率达到了41.83%。同时，在碎石墩处，沉降量基本与周边土体相同。由此表明，强夯置换碎石墩对水平段软土地基具有良好的加固效果。强夯置换碎石墩加固后的沉降量情况如图4所示。

在斜坡段路基方面，未采用加固方案时，地基两侧沉降量分布情况并不相同，相对于坡度较高位置处，坡度较低位置处沉降量分布区更大，且水平位移量更高，其中，峰值位于下坡段略微靠近中心线的位置，数值约为138.69 mm。采用强夯置换碎石墩加固方案时，地基水平分布趋势与未加固时基本相同，仅数值上存在一定差异，位移峰值约为59.40 mm，相对于未加固时，强夯置换碎石墩加固后水平位移量降低了79.29 mm，下降率约为57.17%。同时，在碎石墩处，沉降量基本与周边土体相同。由此表明，强夯置换碎石墩对斜坡段软土地基具有良好的加固效果。

4 应用分析

采用强夯置换碎石墩对某高速公路K47+575～K48+314桩号段软土地基进行加固，并分别设置5个监测点，以监测该桩号段内地基的水平位移与沉降量。通过对5个监测点位实际水平位移与沉降量的监测，以此判断软土地基的稳定性是否符合规定要求。通过对5个监测点的监测可以发现，K47+575～K48+314桩号段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范围内，沉降量在15.47～83.24 mm

范围内，均在规定要求范围内。由此表明，通过强夯置换碎石墩加固方案的应用，显著提高了某高速公路K47+575～K48+314桩号段软土地基的穩定性，有利于公路后续使用。

5 结束语

综上所述，现代高速公路软土地基进行加固处理时，应根据施工现场地质条件特点制定出相应的加固方案，并以此为基础，采用有限元分析的方式对加固方案应用效果予以分析，根据分析结果判断加固方案是否达到预期效果。通过对5个监测点的监测可以发现：K47+575～K48+314桩号段地基的水平位移在7.84～17.63 mm范围内，沉降量在15.47～83.24 mm范围内，均在规定要求范围内。通过强夯置换碎石墩加固方案的应用，显著提高了某高速公路K47+575～K48+314桩号段软土地基的稳定性。

参考文献

[1]王才进，武猛，杨洋，等.基于CPTU测试的高速公路扩建地基软土参数空间变异性研究[J].中国公路学报，2023（2）： 197-208.

[2]赵艳玲. 京哈高速公路绥中（冀辽界）至盘锦段改扩建工程软土地基处理方案比选[J]. 北方交通， 2023（6）： 25-29+34.

[3]刘艳. 公路软土地基沉降监测与稳定性分析[J]. 山西交通科技， 2022（3）： 62-64.

[4]饶江勇. 武汉三官汉江公路大桥南接线软土路堤稳定性分析[J]. 山西建筑， 2020（21）： 113-114.