软土路基塑料排水板与粉喷桩处理功效研究

黄志坚

摘要 文章以某高速公路拓宽改造项目为例，借助有限元模拟分析方式，对软土路基塑料排水板处理方法和粉喷桩处理方法的路基处理功效从工期路基沉降、工后路基沉降、软土路基向位移、软土路基超孔隙水压等方面展开研究分析，提出公路软土路基拼宽时可采用的路基处理方法，仅供行业参考。

关键词 公路工程；软土路基；塑料排水板；粉喷桩；处理功效

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0116-03

0 引言

某高速公路拓宽改造项目是一个软基拼宽扩建的公路工程，工程决定采取单侧拼接式软基处理方式，但究竟是采用塑料排水板处理方法还是采用粉喷桩处理方法，在工程设计阶段技术部门进行了一系列模拟分析研究[1]。该研究介绍其借助PLAXIS限元模拟分析，比较2种软基处理方法的路基施工期沉降、工后沉降、侧向移位、孔隙水压力分布等工程影响状态，并通过现场测试结果，验证模拟结论的正确性等研究成果，旨在为软土路基拓宽改造工程应用提供技术参考。

1 有限元模拟简述

1.1 塑料排水板与粉喷桩模拟

基于PLAXIS工程有限元模拟分析系统，以某四车道拓宽改造为双向八车道的高速公路拓宽改造项目为例，对塑料排水板方法与粉喷桩方法的软土路基处理功效展开研究。路基由厚度为14.00 m的淤泥质黏土和5.00 m的密砂土构成；地下水位于地面以下1.00 m；旧路基宽度26.00 ｍ、高度6.00 ｍ、拓宽16.00 ｍ，新旧路基的边坡均取为1∶1.5坡度，采取塑料排水板和粉喷桩两种软土路基处理措施。

塑料排水板宽10.00 cm、厚0.60 cm、长14.00 m，刚好穿过淤泥质黏土层，平面等边三角形配置，间距1.30 m，在新路基底部铺0.50 m厚砂垫层。在有限元模拟中，以内嵌排水线单元模拟塑料排水板，且设定排水线的超孔隙水压为0。

喷粉桩直径0.50 m、桩长15.00 m，打入密砂承力层1.00 m，平面方形配置，间距1.30 m，新增路基载荷范围内水平配置13排。模拟中视喷粉桩为理想线弹塑体，桩重19 kN/m，泊松比0.303，弹塑模量200 MPa。

1.2 土体本构模型与主要参数

应用PLAXIS系统，采用三角形15节点高精度离散土体单元进行土体模拟计算，各土层采用弹性理想的摩尔－库仑塑性模型。土体主要参数见表1所示。

1.3 边界约束与操作过程模拟

模型垂向自由，左右两侧水平移位约束，不排水；底侧垂向和水平移位受到约束，排水；上侧垂向和水平自由，排水[2]。由于路基在初始时刻呈现水平分层，并且路基面和地下水位都是水平的，所以选择K0过程来产生初始应力，即产生与土体重量平衡的垂向应力，用侧向土压系数K0来计算水平应力。

旧路基按一次性筑填过程模拟，作业时间为330 d，待旧路基建成3年后进行加宽。新路基分步施工，路基分为6层，每层1 m。塑料排水板操作，首先模拟砂垫层、塑料板装配以及新路基第一层的筑填操作过程，工期为30 d；然后给予30 d间歇，再实施新路基第二层筑填。粉喷桩操作，首先进行粉喷桩和新路基第一层筑填，之后同于塑料排水板操作。

2 塑料排水板与粉喷桩的处理功效分析

2.1 施工中的路基沉降

圖1是3种工况下新路基筑填完毕后基顶面施工中沉降的横向分布情况。可以看到，3种工况下基顶面的沉降曲线均呈现勺状。同时，旧路基顶面发生了程度不同的向上隆起，在粉喷桩处理、塑料排水板处理和无处理措施3种工况下，旧路基顶面向上最大隆起分别为11.17 mm、37.11 mm和43.88 mm。新路基的筑填无疑会对旧路基形成较大扰动，而塑料排水板形成的扰动明显大于粉喷桩。而工期沉降主要产生在新路基顶面，当拓宽范围内的软土路基没有进行处理，或者采取塑料排水板措施时，基本都是新路基形心处发生最大工期沉降。其中塑料排水板处理时最大工期沉降为610.82 mm，比未处理时增加了18.80%。未采取措施时的最大工期沉降为514.37 mm。

粉喷桩处理，最大工期沉降位向旧路基坡脚附近转移，其沉降量为165.87 mm，只为没有处理时的32.20%，比塑料板处理时降低72.80%。总体上看，粉喷桩对旧路基的扰动程度最小，而塑料板则加速了软基的固结，形成最大工期沉降。所以使用塑料排水板时应结合必要的隔离措施，以尽可能降低对旧路基的扰动。

2.2 路基工后沉降

图2是3种工况下路基顶面施工后15年的沉降状态。可以看出，在没有处理措施的情况下，工后沉降曲线呈现勺形，也在新路基的形心处发生最大沉降，其沉降量为116.98 mm。采用粉喷桩或塑料排水板处理时，沉降曲线呈现盆状，最大沉降位置移至旧路基与新路基的结合处，沉降量分别为33.82 mm和50.29 mm，比未采取措施时分别降低71.10%和57.00%。同时，粉喷桩处理、塑料排水板处理和无处理措施3种工况下的最大沉降量差异分别为31.71 mm、36.42 mm和103.49 mm。由此可见，路基拓宽范围内的软土路基采取粉喷桩或塑料排水板处理，可以有效降低工后差异沉降，并且粉喷桩效果优于塑料排水板。

2.3 软土路基侧向位移

新旧路基结合处旧路基坡脚沿深度的横向位移分布状态分析显示，路基在未采取措施和采取了塑料板措施时，侧向移位曲线趋势状态相同，都向旧路基侧凸出。随着新路基的填筑，侧向移位逐步加大，淤泥质黏土层的侧向位移明显大于密实砂层。两种工况的区别：未采取处理措施时，工后15年侧向移位存在一定程度的收缩，而塑料排水板处理的同周期侧向移位持续向旧路基一侧加大。塑料板处理可以减小施工时的侧向移位，但是15年后的侧向移位与未采取措施大体相同。软土路基侧向移位主要发生在淤泥质黏土层中，发生在下伏密砂层的则比较少，但侧向移位的分布规律与前2种工况不同，曲线表现为鼓包和失圆[3]。随着新路基的筑填，侧向移位程度先向旧路基侧加大，随后逐步回缩。新路基填筑后，侧向移位曲线向新路基侧隆起，15年后侧向移位仍在新路基范围内。

2.4 软土路基超孔隙水压

在获得了各种工况下，旧路基建成3年后与新路基完成填筑施工时的软基超孔隙水压的分布状态。分析显示，旧路基完成3年后，在旧路基中心以下的淤泥质黏土层中部出现了较大的超孔隙水压力，但是超孔隙水压力的绝对值一直很低，表明在该算例条件下，旧路基下的软基的已基本完成固结；新路基筑填时未采取处理措施，超孔隙水压力比较大的区域转移到路基加宽范围内的软基上；不管是塑料板还是粉喷桩处理方式，较大的超孔隙水压力主要发生在旧路基坡脚附近的新旧路基交界处。与无处理措施相比，软土路基中超静孔隙水压力的最大值大大衰减，且粉喷桩处理的衰减更为明显，表明粉喷桩更适用于高速公路软土路基的拓宽改造。

在建立有限元模型时，假设下伏的密实砂层和14 m厚的轻质黏土表面是透水的，轻质黏土中间的竖向排水路径较长，建议选择路基底部以下7 m深度的水平层，作为超孔隙水压力较大的典型剖面。3种工况下新路基填筑全过程及施工后15年超孔隙水压力的变化情况分析显示，3种工况下的超孔隙水壓力曲线形状不尽相同，但是随着新道路的筑填，超孔隙水压力相应加大，其基本呈现一致的变化趋势，并且在施工15年以后，超孔隙水压力趋于零。

在施工中，当局部路基未采取措施时，超孔隙水压力最大，新路基侧的超孔隙水压力远大于旧路基侧，最大水压值发生在新路基的形心区域。因为旧路基沉降接近完成，新路基接近原岩土状态，随着超孔隙水压力的消散，新路基侧会发生较大的沉降，最大沉降量与最大超孔隙水压力相差无几。但是因为超孔隙水压力消散较慢，不管是作业期间还是施工后15年，新路基侧的沉降始终高于旧路基侧的沉降。

使用塑料排水板时，新路基侧的超孔隙水压力呈现明显的锯齿状。在安装塑料板区域，超孔隙水压力为0，在靠近塑料板区域，超孔隙水压力消散较快，最大值发生在旧路坡脚附近。这是由于塑料板增加了软基的排水通道，且排水距离缩短，使新路基下的超孔隙水压力迅速消散，加快了固结速度。当它对工期沉降起反应时，新路基侧的沉降远大于旧路基侧的沉降。完成施工后，新路基侧的路基加固基本完成，所以相应的工后沉降减小，在没有处理措施的情况下，工后沉降曲线为盆形而不是勺形，最大值出现在新旧路基交界处附近，此处路基土呈现被压缩趋势。旧路基坡脚倾向于向旧路基侧位移[4]。但在未处理时，因为新路基侧的工后沉降大于旧路基，新路基对旧路基产生拖曳作用，导致旧路基坡脚侧向移位回缩至新路基侧。

由于分析中喷粉桩按不透水材料处理，用桩区域的超孔隙水压力为0，而其他区域的超孔隙水压力曲线形状与未处理基本相同，但是超孔隙水压力值比未经处理的小得多，表明粉喷桩不但能增强路基强度，增加形变模量，而且还能有效减少新建路基一侧的工期和工后沉降，限制侧向移位，同时也在一定程度上发挥防渗功效，使新旧路基的排水条件相对独立，从而降低了加宽路基施工对旧路基的扰动程度。

3 模拟结论的现场测试验证

试验段位处东南海积平原区，淤泥质黏土厚度超过25 m，既存线路的路基未处理。获得了4种处理方案对应的新路基表面中心区域的沉降量测试结果，其中工期沉降取实际测量值。总沉降为根据单向分层总和法计算的最终沉降。表2为旧线沉降与位移量测试结果。

试验结果显示：

（1）不管是工期沉降还是工后沉降，喷粉桩沉降均低于塑料板沉降。塑料板处理的沉降其时程曲线比喷粉桩更陡，表明前者的沉降速率较大，不利于保持旧路基稳定。

（2）喷粉桩处理的侧向移位仅为塑料排水带处理的1/3。有限元模拟的不同工况下路基侧向移位存在差异，可能是现场测量时护道填土和排水沟开挖对测斜仪移位的影响所致。

（3）塑料排水板处理的既有线道碴底脚沉降和侧向位移大于粉喷桩处理，塑料排水板处理对既有线路基影响显著。

（4）粉喷桩的桩间距和桩长都会影响处理功效。从荷载曲线来看，DJM短桩的填方高度最高，加载速度最快，但是施工期沉降、既有线沉降和侧向位移以及抬道次数最少。就该工程而言，桩长较短、桩间距较密的粉喷桩处理方案较好。

（5）现场试验结果充分证明了数字模拟宏观结论的正确性，即无论是沉降、侧向移位还是对既有线的影响，塑料排水板的处理功效都不如粉喷桩。

4 结语

新旧路基差异沉降控制是软弱路基公路拼宽扩建的一项实用性较强的应用技术。该文依托工程背景，对软土基公路拼宽工程中应用塑料排水板和粉喷桩处理方法的软基治理功效开展了分析研究，构建并介绍了单侧拼宽塑料板处理软土路基有限元模型、单侧拼宽喷粉桩处理软土路基有限元模型。围绕工期路基沉降、工后路基沉降、软土路基向位移、软土路基超孔隙水压等指标，对比分析了塑料排水板方法和粉喷桩方法的软土路基处理功效，揭示了不同处理方法和工况下的路基沉降、侧向移位、软基内超孔隙水压变化规律，并通过工程现场测试，验证了有限元模拟结论的正确性。分析结果显示，无论是沉降、侧向移位还是对既有线路的影响，粉喷桩的处理功效相对优于塑料排水板的处理功效。

参考文献

[1]徐炬平. 高速公路拓宽工程差异沉降处理技术研究[D]. 合肥：合肥工业大学， 2008.

[2]孙杰. 软土地基高速公路拼宽工程变形特性研究[D]. 南京：河海大学， 2005.

[3]章定文. 软土地基上高速公路扩建工程变形特性研究[D]. 南京：东南大学， 2004.

[4]贾宁. 软土地基高速公路拓宽的沉降性状及处理研究[D]. 杭州：浙江大学， 2004.