几种常规软土路基处理方法加固效果对比分析

王思伟

(湖南中大设计院有限公司， 湖南 长沙 410075)

0 引言

随着经济快速发展，国内公路工程建设正如火如荼进行中。工程建设过程中会不可避免遇到软土路基情况，这就需要采取合适的路基处理方法进行有效处理，改变原有软土路基的力学性能，使其满足工程需要。近年来，国内学者进行了相关研究，主要有：李世洋等[1-2]以某软土地基处理工程为依托，针对碎石桩加固、CFG桩加固以及碎石桩与CFG桩联合加固3种不同软土路基加固形式，利用PLAXIS有限元软件计算位移、桩间土应力，对比分析了3种方法的加固效果及经济性；欧阳志等[3]以某高速公路改扩建工程桥头回填路基的加固处理为例，分析土工格栅加固方法处理“桥头跳车”的可行性，经过实验数据对比分析，土工格栅加固方法效果明显，可应用于新建高速公路路基加固工程；宋修广等[4]结合现场试验成果，采用FLAC3D有限差分软件进行了数值模拟，重点针对夯击能2 000 kN·m时动应力衰减规律进行了对比分析；顾军明等[5-6]以某市政道路地基处理工程为例，分别采用高真空击密法、低位高真空分层预压击密法及真空预压法对试验段路基进行多方案软土加固处理的对比试验，通过对比处理前后的软土静力触探曲线，分析了3种软基处理方法的加固效果及适用性。本文主要以某路基工程为例，采用数值模拟方法对几种常规路基处理方法的加固效果进行对比分析，以期研究结果为类似工程提供参考。

1 工程概况

某拟建乡镇公路路基顶部宽度为4 m，路基边坡坡度为1∶1.5。从上至下共分为4个土层，即碎石层、换填砂砾层、粉质黏土层以及砂土层。粉质黏土层颜色为褐色，土较颗粒较细，粘性土吸水能力强、毛细现象比较明显，含水率与季节呈现一定相关性。

2 数值建模

2.1 模型建立

图1为采用FLAC3D软件得到的常规路基数值模型图，各个土层的参数及厚度如表1所示。建模过程中x轴(模型底部)取7 m，y轴取1.5 m，z轴取2.1 m，坐标中心位于路基中心位置。

为了对比分析不同路基处理方法的处理效果，本文共建立4个模型，分别为模型1(常规换填)、模型2(采用土工格栅)、模型3(采用格宾网)、

图1 常规路基数值模型图

表1 土体材料的物理力学指标材料密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)粘聚力/kPa厚度/m碎石2 20024.00.323812.00.1换填砂砾1 95045.00.33350.00.4粉质粘土1 8504.50.321515.00.8砂土2 10021.00.36349.50.8

模型4(采用土工格栅+格宾网)。图2为模型2和模型4的内部结构图，其中土工格栅位置在换填砂砾层和粉质黏土层交界面，格宾网的上部位于碎石层和换填砂砾层交界面，厚度为0.2 m。表2为加固材料的物理力学指标。模拟过程中，格宾网与碎石层、换填砂砾层以及土工格栅与换填砂砾层的界面参数如表3所示。

表2 加固材料的物理力学指标材料密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比厚度/m单位面积质量/(kN·m-2)最大拉力/kN土工格栅—4.0×1040.30.0033.0×10-320.0格宾网2 4002000.3———

表3 模拟采用的界面参数接触类型粘聚力/kPa内摩擦角/(°)法向刚度Kn/(N·m-3)切向刚度Ks/(N·m-3)格宾网与碎石层22341×1091×109格宾网与换填砂砾层26381×1091×109土工格栅与换填砂砾层6040——

2.2 加载方式

汽车荷载为道路运行过程中最主要的荷载之一，本文参照规范《道路车辆外廓尺寸轴载及质量限值》(GB1589—2016)，取车辆轴载为130 kN，车辆宽为2.5 m，车辆轮距为1.8 m，单侧轮胎与地表的接触面积尺寸取0.6 m×0.2 m。

a)土工格栅

b)土工格栅和格宾网

3 数值结果分析

3.1 路基沉降分析

图3为不同模型路基表面沉降曲线。由图可知，对于车辆加载附近的沉降值，模型1为最大，其次是模型2和3，最小的是模型4，4个模型的最大沉降值依次为48.8、30.3、26.1、23.9 mm。由此可知，采用铺设土工格栅、格宾网、土工格栅+格宾网的措施分别能使沉降较常规换填方案减小37.9%、46.5%、51.0%。对比模型1和2可以发现，土工格栅能有效减小车辆荷载附近的沉降，但不能减小路基差异沉降；对比模型1、2和3可知，采用格宾网不仅能有效减少车辆荷载附近的沉降，而且对减小路基差异沉降效果明显。对比模型3和4，可以看出，采用土工格栅+格宾网二者结合的处理方法，其处理效果略好于单独使用格宾网，但差别不明显。

图3 不同模型路基沉降对比图

3.2 路基侧向位移分析

图4为不同模型的路基侧向位移曲线，由于模型对称，以左侧路基边坡为例。由图可知，随着深度增加，路基侧向位移逐渐增大，在坡脚位置位移达到最大。对于模型1，从上至下监测点的位移值分别为13.8、15.7、27.2和37.8 mm；采用模型2时，对应点位移分别减小87.0%、80.9%、76.1%和71.7%;采用模型3时，对应点位移分别减小94.2%、93.0%、84.6%和78.0%；采用模型4时，对应点位移分别减小95.7%、93.6%、93.8%和86.2%。综上所述，相对于常规换填方法，采用铺设土工格栅、格宾网、土工格栅+格宾网的措施能使路基侧向位移分别减小71.7%、78%和86.2%以上。

图4 不同模型路基侧向位移对比图

3.3 路基土压力分布分析

图5为不同深度下不同模型的土压力分布情况，本文选取深度0.05、0.15、0.40 m进行分析，分别代表路基浅层、中层和深层的土压力分布情况。由图可知，对于路基浅层位置，除了车辆加载位置附近，各个模型的土压力分布基本相同，采用土工格栅时路基应力较其余三者要小。对于路基中层和深层位置，4个模型中模型1、3和4土压力峰值较大，模型2对应的值最小。此外，对比3个图可以发现，随着深度增加，土压力值逐渐下降，尤其是采用土工格栅时下降幅度最大，说明采用加固措施时，加固体能起到应力传递作用，使路基应力比较均匀。

a)深度0.05 m

b)深度0.15 m

c)深度0.40 m

4 结论

以某路基工程为例，采用数值模拟方法对不同路基处理方法的加固效果进行对比分析，并主要对路基沉降、侧向位移以及土压力分布进行了详细介绍，得到以下结论：

1) 常规换填方法一般很难满足工程需要，采用土工格栅和格宾网均能有效减小路基沉降，相对于土工格栅，格宾网不仅更能有效减小路基沉降，还能明显减小路基差异沉降。采用土工格栅+格宾网二者结合的处理方法，其处理效果略好于单独使用格宾网，但差别不明显。

2) 相对于常规换填方法，采用铺设土工格栅、格宾网、土工格栅+格宾网的措施能使路基侧向位移分别减小70%、75%和85%以上。

3) 加固体能起到应力传递作用，可使路基应力减小且变化比较均匀，3种措施中土工格栅效果最好。