邱红胜 袁 杰
(武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063)
软土地基在我国分布较广，实际工程中，在某些特殊地段会存在软土地基与不均匀地质同时出现的情况，这给工程施工带来很大困扰.为了满足工程稳定性等需要，必须要采取相应措施以防止或减小软土地基及不均匀地质对工程的不良影响.就公路工程而言，通常需要对软土地基进行打桩、换填等措施.当不均匀地质伴随着软土地基出现或其他特殊情况下，仅对地基进行处理可能很难达到预期的效果，这时往往需要减轻地基上部荷载，如路堤自重.
随着土木工程材料学科的发展，轻质混凝土越来越多地应用于软基处理.换填轻质混凝土可以减轻路堤自重，以增强公路工程的稳定性.常臻等[1-2]针对高速公路软土地基中泡沫轻质土的应用进行了分析研究.郝万喜等[3]针对北方寒冷地区道路冻胀翻浆与地基融沉等病害，开展了轻质土在道路基层中的应用研究，并在试验路铺筑的实践基础上阐述了气泡混合轻质土的力学特性与试验结果分析，证明轻质土在冻土地基的隔热保温与台背填土的防冻胀方面效果明显.熊洪建[4]采用数值模拟的方法对泡沫轻质土在公路均匀地质软土地基中的应用效果进行了研究，结果表明：采用泡沫轻质土路基可以较好地解决基底应力不均匀问题.陈行[5]从优缺点两方面归纳总结泡沫轻质土的工程特性，并以桥台背路基填筑、跨线桥减跨、道路加宽、陡峭地段填方路基等工程为应用场合，分析其应用于市政路桥工程的适用性及优越性，并结合某填筑路堤工程实例多方案比选结果，结果表明:只要技术措施得当，泡沫轻质土方案就能扬长避短，取得良好的技术经济效果.安瑞霄[6]基于泡沫轻质土组成与工程特性，结合工程实例，研究泡沫轻质土在高速公路桥头路基填筑中的应用，结果表明：在高速公路桥头路基填筑中应用泡沫轻质土技术可行、工程效益显著.许江波等[7]将聚丙烯纤维加入泡沫轻质土,使材料变形能力和承载能力大大提高，改善了泡沫轻质土产生很小应变就马上破坏的现象，同时提高了材料的强度.
近年来，公路工程设计中不均匀地质与软土地基同时出现即是一个典型的难题.文中以某公路工程软土地基加固为例，对软土地基与不均匀地质同时出现的类似情况进行探讨.
某软土地区公路工程路堤包括三部分，从上往下依次为路面结构层、混凝土保护层和填土层，见图1.按原设计方案，全幅路堤均设置粉喷桩，桩径1.2 m、桩长14 m，桩间距为1.4 m；
填土层全部填筑普通填土.实际施工时，在填土层施工完成约一个月后左幅路堤顶面出现纵向裂缝，裂缝宽度在3 d内增大至5 cm.经检测，左幅路堤下大部分粉喷桩失效，右幅路堤下粉喷桩基本完好.该路段路堤须进行相应加固处理.
该路段路堤加固采用轻质混凝土换填技术以减小路堤自重，从而减小路堤沉降及基底应力、提高基底沉降及应力分布均匀性.路堤宽度设计值为30 m，高度为8.95 m，坡率按照1∶1.5设计，施工时采用分层填筑碾压的方法，每次填筑高度为1 m.为了分析轻质混凝土的处理效果，采用有限元分析软件对轻质混凝土和普通土处理该软土路基进行数值模拟对比分析.
图2为采用有限元软件Midas GTS NX建立的数值模型图.本次模拟简化为平面应变问题进行分析，忽略沿路线方向的应变，仅考虑重力荷载作用下路堤的变形以及应力分布，不考虑施工过程中的汽车荷载及碾压振动等因素，土体的本构模型均为莫尔-库伦，模型底部(即地基)宽度取116 m，埋深取14.5 m.为了获取轻质混凝土经济换填高度，将轻质混凝土换填高度从0 m(即路堤全为普通填土)逐级增加至6 m，每级增量为1 m，轻质混凝土换填部位为路堤上部.各种材料的物理力学参数见表1.
图2 数值模型图
表1 土体的物理力学参数
3.1 路面工后沉降
当轻质混凝土填筑高度从0 m(即路堤全为普通填土)逐级增加至6 m时，路堤沉降值逐渐减小，但整体沉降分布趋势保持不变.最大沉降值发生于左幅路堤底面中心附近，路面沉降值较小，路堤左侧地基有明显隆起现象.由于右幅路堤下粉喷桩未失效，右幅路堤沉降值比左幅路堤明显较小，且路堤右侧地基未出现隆起.轻质混凝土填筑高度为4 m时路堤沉降云图见图3.
图4为不同轻质混凝土填筑高度时路面的工后沉降值曲线.
图4 路面工后沉降
由图4可知：在保持整体沉降趋势不变的情况下，随轻质混凝土填筑高度的增加，路面工后沉降值减小，但随着轻质混凝土填筑高度的线性增大，路面工后沉降值并未线性减小，其减小量越来越小，即轻质混凝土对路面工后沉降值的影响作用越来越弱.在实际工程中应该合理选择轻质混凝土填筑高度.根据文献[8]，高速公路一般路段路面工后沉降值不大于300 mm.图4中轻质混凝土填筑高度为4 m时，路面工后沉降值为273 mm，故轻质混凝土填筑高度宜为4 m.
3.2 基底沉降与应力对比分析
图5为不同轻质混凝土填筑高度时路堤底沉降曲线.由图5可知：路基底的沉降以左幅路堤为主，最大沉降值发生在左幅路堤底中心附近；
左幅路堤底沉降较大且沉降分布不均匀，右幅路堤底沉降较小且分布较均匀.左幅路堤外侧出现明显隆起，而右幅路堤未见隆起.随着轻质混凝土填筑高度的增大，路堤底沉降值减小，路堤外侧隆起高度也减小，路堤底沉降分布更加均匀.但随着轻质混凝土填筑高度从0～6 m线性增大，基底沉降最大值的减小量依次为295，275，256，233，212和200 mm，路堤底左侧边缘隆起高度的减小量依次为307，295，262，215，158和111 mm，即路堤底沉降及隆起高度并未线性减小，其减小量越来越小，轻质混凝土对基底沉降及隆起高度的影响作用越来越弱，工程中应根据实际需要合理选择轻质混凝土填筑高度.
图5 路基底沉降
图6为不同轻质混凝土填筑高度时路基底应力曲线.由图6可知：基底两侧应力较小，应力最大值出现在距基底左边线水平距离30 m附近，即不均匀地质分界处(粉喷桩分布边界)，且该处附近基底应力变化较快.从不均匀地质分界处往右即硬质地基部分，路基底应力分布线性较好，从分界处往左即软弱地基部分，路基底应力分布线性较差.随着轻质混凝土填筑高度的增大，基底应力整体为减小趋势，应力最大值处及其附近的应力减小尤为明显，基底两侧应力减小不明显，位于软弱地基上的左幅路基基底应力分布均匀性提高较明显.
图6 路基底应力
3.3 施工方案对比
由于施工现场已经用普通填土填筑好整幅路堤，把普通土路堤上部4 m高度的普通填土挖除再填筑轻质混凝土则相当于对路堤下部进行堆载预压再卸载并换填轻质混凝土.故对轻质混凝土填筑路堤进行两种施工方案的模拟以分析预压效果.两种施工方案分别为：A方案 先对路堤下部进行预压再换填轻质混凝土；
B方案 直接填筑轻质混凝土.
图7为两种施工方案路基底沉降分布曲线.由图7可知：方案B路基底沉降较大且分布不均，最大沉降值达485 mm，路堤外侧隆起较高.方案A路基底沉降较小且分布较均匀，最大沉降值为184 mm，基底没有出现隆起.此外，方案A路面工后沉降值为109 mm，远小于方案B的路面工后沉降值273 mm.由此可见，对下部路堤进行预压处理的效果较好.
图7 两种施工方案基底沉降
图8为两种施工方案路基底应力分布曲线.由图8可知：两种施工方案路基底应力分布整体趋势相似，基底应力最大值均出现在不均匀地质分界处，但方案A基底应力最大值比方案B小，方案A基底应力最大值约为200 kPa，方案B基底应力最大值约为250 kPa；
此外，不均匀地质分界处附近方案A基底应力较方案B有明显减小.由于不均匀地质分界处基底应力较大，故对该处地基进行承载力校核.通过数值模拟分析得到不均匀地质分界处复合地基承载力值为322.4 kPa，大于路基底应力最大值；
不均匀地质分界处粉喷桩单桩桩顶受力为148 kN，小于施工现场载荷试验所得单桩承载力180 kN，故不均匀地质分界处地基承载力满足要求.
图8 两种施工方案基底应力
1) 在不均匀地质中，路基底最大沉降值和最大应力值不在同一位置出现，最大沉降值出现在软弱地基部分路基底面中心，最大应力值出现在不均匀地质分界处；
路基底沉降曲线的拐点出现在不均匀地质分界处附近.
2) 路堤高度不变时，轻质混凝土填筑高度越大，路基底沉降和应力越小且分布越均匀，软弱地基侧隆起高度越小，路面工后沉降也越小，但轻质混凝土的作用有限，其作用不随轻质混凝土填筑高度线性增强.实际工程中应合理选择轻质混凝土填筑高度.
3) 相比于直接填筑轻质混凝土，先对路堤下部进行预压再换填轻质混凝土时，基底沉降明显减小且分布更均匀；
路面工后沉降值明显减小，软弱地基侧未出现隆起；
不均匀地质分界处基底应力有明显减小，其余地方基底应力变化不明显.