高速公路軟土地基處理方案比選與分析

■鄭孝煉

（寧德三都澳高速公路有限責任公司，寧德 355100）

近年來， 隨著高速公路拓寬工程的大規模發展，有效解決了我國部分地區的交通擁堵問題[1]。 但在道路擴建施工過程中，由于設計者對軟土地基加固處理不當，導致道路新舊路基間存在較大沉降差異，甚至出現路面縱向裂縫及路基開裂現象，嚴重影響了道路安全穩定性[2-3]。 因此，如何有效處治拓寬工程中的軟土地基，以及降低新舊路基間的沉降差異已成為當下學者亟需研究的重要課題[4]。 如趙鑫[5]研究了水泥攪拌樁對公路軟土地基深層處治效果， 通過布置測點對處治后地基沉降進行監測，發現樁體強度、樁間土強度及單樁承載力均滿足設計安全；張秀勇等[6]研究了碎石樁加固湖相沉積軟土地基的效果，發現路堤在這種柔性基礎下，采用加設碎石墊層的碎石樁復合地基可以顯著改善深厚軟土地基的承載性能；謝全福等[7]發現錘擊成孔振沖碎石樁具有便于取材、工程造價低、施工工藝簡便等優點，能夠顯著提高軟土地基的承載力，可在工程實踐中廣泛應用；王荃[8]發現采用合理的軟土路基加固粉噴樁施工技術，可有效改善軟土路基問題，提高路基整體質量，為同類軟土路基施工提供參考意見。 目前，學者關于不同類型樁基處治軟土地基的設計與施工研究已相對完善，但關于泡沫輕質土處治軟土地基的研究還有待進一步深入。 基于此，本文以某高速公路拓寬項目為研究對象，通過有限元軟件對比分析了CFG 樁、PTC 管樁及泡沫輕質土對軟土地基的處治效果，并確定了泡沫輕質土處治軟土地基的優良效果。

1 工程概況

某高速公路拓寬項目位于平原地區，沿線公路地勢平坦，地形簡單，軟土分布較為廣泛，各土層在水平方向分布及性質較為均勻。 地區降水季節性分布差異明顯，雨季主要集中在7-10 月，降水量約為420 mm，占全年降水量的60%左右。氣候四季分明，且差異較大，夏季表現為悶熱干燥、降水少，冬季寒冷潮濕、 降水多，7 月份整體氣溫偏高，1 月份整體氣溫偏低。 該拓寬項目原設計高速公路為雙向四車道，設計車速為120 km/h，路基寬度為25 m，路基高度在2.5～6 m，原路基邊坡坡度均為1∶1.75，路基拓寬方式采用兩側道路同時拼接加寬，單側拓寬寬度為4.25 m，高速公路拓寬為雙向六車道，路基邊坡坡度設計為1∶1.5。根據原地質勘測結果顯示，該路段軟土地基厚度在16～28 m，主要由5.5 m 厚淤泥質黏土層、7.5 m 厚粉質黏土層、8 m 厚黏土層和9 m 厚粉細砂層構成，其關鍵截面如圖1 所示。

圖1 軟土路基截面示意圖

2 地基處理方案

根據對軟土分布情況以及各層土體技術參數的分析，同時結合對施工難度、填土高度及經濟效益等因素的綜合考慮，該高速公路拓寬工程可采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG 樁）、預應力混凝土薄壁管樁（PTC 管樁）及泡沫輕質土3 種軟土地基處理方案，具體施工流程及優缺點如表1 所示。

表1 軟土地基處理方案施工流程及優缺點

3 有限元模型

運用有限元軟件PLAXIS 建立高速公路拓寬路基數值模型，計算模型水平影響區域為60 m，計算深度取至地下30 m， 網格劃分采用高精度的15 節點三角形單元，模型中共包含427 個單元和503 個節點，其有限元模型如圖2 所示。

圖2 軟土路基有限元模型

為方便計算，在有限元分析中假定路面、土體及樁體均為各項同性均質體，路面、樁體均為線彈性體，遵循廣義胡克定律，土體采用摩爾—庫倫塑性模型，視為理想彈塑性體。 地基土體為非飽和狀態，不考慮孔隙水壓力作用和樁體重力作用，樁體與地基土不產生相對滑移。 邊界采用標準固定邊界，對模型底部及右側施加固定約束，水平位移和豎直位移均為0，模型兩側均施加水平位移約束，豎直向位移無約束， 路基表面及邊坡均為自由界面。計算參數主要考慮新、舊路基土、粉質黏土、淤泥質黏土、黏土及粉細砂層，如表2 所示。

表2 有限元模型計算參數

4 結果與分析

4.1 CFG 樁處理軟土地基沉降分析

通過建立CFG 樁處理的軟土地基計算模型，樁間距設為2 m， 針對不同樁長的新舊路基表面沉降變化規律進行對比分析，計算結果如圖3 所示。

圖3 CFG 樁處理地基沉降變化曲線

根據圖3 可知， 軟土地基未采用CFG 樁加固時，新舊路基表面的整體沉降值要明顯大于加固過的新舊路基，說明采用CFG 樁加固軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降。 隨著CFG 樁長的增大，拓寬路基表面沉降值逐漸減小，其中采用8 m 樁長加固的拓寬路基最大沉降值可降低24.9%， 采用10 m樁長加固的拓寬路基最大沉降值可降低31.6%，采用12 m 樁長加固的拓寬路基最大沉降值可降低37.3%，由此可知軟土地基加固長度越長，拓寬路基表面的整體沉降值越小。 綜合來看，軟土地基選擇12 m 的CFG 樁加固時， 對于拓寬路基的沉降差異控制效果更優。

4.2 PTC 管樁處理軟土地基沉降分析

通過建立PTC 樁處理的軟土地基計算模型，樁間距設為2 m， 針對不同樁長的新舊路基表面沉降變化規律進行對比分析，計算結果如圖4 所示。

圖4 PTC 樁處理地基沉降變化曲線

根據圖4 可知， 軟土地基未采用PTC 樁加固時，新舊路基表面的整體沉降值要明顯大于加固過的新舊路基，說明采用PTC 樁加固軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降。 隨著PTC 樁長的增大，拓寬路基表面沉降值逐漸減小， 其中采用12 m 樁長加固的拓寬路基最大沉降值可降低31.7%，采用14 m樁長加固的拓寬路基最大沉降值可降低37.3%，采用16 m 樁長加固的拓寬路基最大沉降值可降低49.7%，由此可知軟土地基加固長度越長，拓寬路基表面的整體沉降值越小。 綜合來看，軟土地基選擇16 m 的PTC 樁加固時，對于拓寬路基的沉降差異控制效果更優。

4.3 泡沫輕質土處理軟土地基沉降分析

通過建立泡沫輕質土處理軟土地基計算模型，針對新舊路基表面沉降變化規律進行對比分析，計算結果如圖5 所示。

圖5 泡沫輕質土處理地基沉降變化曲線

根據圖5 可知，采用泡沫輕質土處理軟土地基時，新舊路基表面的整體沉降值要明顯小于未加樁的新舊路基，說明采用泡沫輕質土處理軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降。 對于舊路基而言，采用泡沫輕質土處理軟土地基后，路基表面最大沉降值可降低46.7%，對于新舊路基結合處而言，采用泡沫輕質土處理軟土地基后，路基表面最大沉降值可降低54.6%，對于新路基而言，采用泡沫輕質土處理軟土地基后，路基表面最大沉降值可降低59.2%，由此說明軟土地基采用泡沫輕質土進行處理時，對于控制拓寬路基的不均勻沉降效果非常顯著。

4.4 不同地基處理方案效果分析

為比較不同地基處理方案的加固效果，分別采用12 m 的CFG 樁、16 m 的PTC 管樁及泡沫輕質土處理軟土地基，并針對新路基最大沉降及新舊路基最大沉降差異值進行對比分析，結果如圖6 所示。

圖6 不同地基處理方式沉降變化曲線

根據圖6 可知， 采用3 種軟土地基處理方案后，新舊路基的最大沉降值和差異沉降值要明顯小于未加樁的新舊路基，說明3 種軟土地基處理方案均可有效降低拓寬路基沉降。 對于控制新路基最大沉降而言，未加樁的新路基最大沉降值為14.23 mm，而采用CFG 樁、PTC 管樁及泡沫輕質土處理的新路基最大沉降值分別可降低5.27、7.29 和8.43 mm，其中泡沫輕質土的地基處理方式效果最好。 對于控制新路基最大沉降差異而言，未加樁的新路基最大沉降差異為8.48 mm，而采用CFG 樁、PTC 管樁及泡沫輕質土處理的新路基最大沉降差異分別可降低4.72、5.7 和5.86 mm， 其中PTC 管樁和泡沫輕質土的地基處理方式效果較好。 綜合來看，對于控制新舊路基的最大沉降和不均勻沉降而言，本項目的軟土地基采用泡沫輕質土處理方式效果更好。 另外，因泡沫輕質土內部分布著大量的單獨閉合膠質氣泡，一般情況下氣泡之間是互不通水，但如果施工不當，損壞了泡沫輕質土內部結構，可能會導致出現滲水現象。 因此，在施工前，要做好專項施工方案并對施工人員做好相關培訓，以杜絕因泡沫輕質土損壞而產生的的滲水現象發生。 此外，在部分地下水含量較高的區域，路基處理還可以采用“樁+泡沫輕質土”的聯合處理方案，以保證路基處理滿足使用要求。

5 結論

（1）采用CFG 樁處理軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降，且樁長越長，拓寬路基表面沉降值越小，選擇12 m 的CFG 樁加固對于拓寬路基的沉降差異控制效果更優。 （2）采用PTC 樁處理軟土地基可以有效降低拓寬路基沉降，且樁長越長，拓寬路基表面沉降值越小，PTC 樁長設計為16 m 的處治效果最好。 （3）采用泡沫輕質土處理軟土地基時，可以有效降低新、舊路基表面及新舊路基結合處的最大沉降值，對于控制拓寬路基的不均勻沉降效果非常顯著。 （4）綜合來看，該拓寬項目軟土地基采用泡沫輕質土處理為更佳方案，處理時應考慮其形態要求，確保其整體穩定性，做好防水設施，制作過程應嚴格按設計及規范要求施工。