南宁外环高速公路软基处治的数值法研究
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摘要：本文依托具体工程实例，利用数值模拟方法对比软基在处治前后的位移变形情况，并给予工程处治后效果的验证，从而为加筋+砂垫层法处治软基提供理论上的依据。
关键词：软基；沉降；数值模拟
中图分类号：U412.36+6 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）38-0165-02
软土主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土[1]。目前软土地基的常见的处治方法有：桩基法、换填法、灌浆法、排水固结法、排水砂垫层法和加筋法等，针对具体的软基地段，一般会采取两种或多种结合的处治方法。在建的南宁外环高速公路途径多处沼泽地、鱼塘和小河流所在的软土区域，由于地质情况较为复杂，给公路建设的施工带来很大的麻烦。针对该段软基深度不均匀，且处于填挖结合部，为了更好地减少不均匀沉降，采用砂垫层+加筋法进行处治。本文以在建的南宁外环高速公路上K20+400段软土地基的处治为例，为加筋+砂垫层法处治软基提供理论上的依据。
一、软土地基概况
本文所研究的软基路段位于南宁外环高速土建№2合同段K20+400处，经现场踏勘可知此处之前为一处鱼塘，处治前有少量积水，为沼泽地带；下覆基岩主要为第三系泥岩，覆盖层为第四系冲积层[2]；表层冲积粉质粘土呈软塑状，黄色，土质不均匀，混有细砂，层厚2.5m～7.5m不等，平均厚度约为6m。
二、加筋法处治过程
软土地基的常见的处治方法有：换填法、水泥搅拌桩法、碎石桩法和加筋法[3-6]，针对本段软土地基的实际情况，采取加筋法予以处治。图1即为采用加筋+砂垫层法处治软基的横断面设计图。
1.铺设土工布。先将软基段表层0.6m的软土清理掉，下面预先铺设一层土工布，防止软基中的水渗透到上层路基里面，起到隔水作用，土工布左右两端各预留2m的反包段，反包到上层填筑的砂砾层上，起到一定的固定作用。土工布采用交通部行标SNG-400型无纺土工布，断裂强度≥12.5KN/m，CBR顶破强度≥2.1KN，垂直渗透系数≥0.3cm/s，撕破强度≥0.33KN，幅宽≥6.0m，土工布幅间采用缝合连接，叠合长度不应小于30cm。
2.设置砂砾垫层。砂砾垫层为排水通道，宜采用级配良的砂砾，其泥含量小于3%，渗透系数为6×10-2～6×10-3cm/s，砂砾垫层地面要求略向路基边缘倾斜，并以震动压路机碾压压实。
3.铺设土工格室。为了防止软基不均匀沉降和方便上层路堤土的填筑，在碾压好的砂砾垫层上面铺设一层土工格室。采用交通部行标GC50型增强土工格室，格室高度5cm，格室片单位宽度的断裂拉力≥300N/cm，断裂延伸率≤3%，连接处连接件的抗剪切力≥1500N，网格尺寸25cm×25cm，格室片厚度≥1.5mm。土工格室铺设必须垂直于路堤方向展开，每1m用U型锚钉进行锚固，接缝应尽可能靠近路基中部，不可设在路堤边坡范围内。铺土前必须检查土工格室有无破损，如有破洞、撕裂等现象应立即处理。
4.土工格栅的铺设。在土工格室上进行路堤的填筑，填筑厚度0.5m后，在上面铺设一层土工格栅，铺设时应将格栅拉紧，不允许有皱褶，需严格按照有关规范操作。土工格栅左右两侧应各自预留1.5m的反包段，待填筑上层0.5m的土层后，反包在上层的填土上，在一定程度上可以改善边坡外侧土体的特性，延缓和阻止浅层滑坍的发生。根据本段填土高度的情况，铺设两层土工格栅加以防护。
三、加筋+砂垫层法的数值模拟
1.模型的建立。采用FLAC3D有限差分程序建立数值计算模型，由于对称性，选取路基的一半作为研究对象。取一半路基宽度（X）为40m，路线走向方向（Y）取1m，深度方向（Z）取6m。在用差分软件对软基进行加筋+砂垫层法模拟时，是通过改变局部土层的土性参数来达到拟合的目的。土工格栅加筋采取加强加筋土体的岩性参数来实现；土工布及格栅的反包过程采取加强边坡浅层（2m）土体实现；砂垫层的模拟则采取改变软土体1m的土体强度。根据现场走访及勘察资料：取路基下伏的软土地基5m，路堤填高6m，路基宽度取30m，格栅加筋土体两层取2m，砂垫层厚度取1m，边坡坡度选取1：1.5。通过相关地质勘察资料，结合实际情况，给出软基加筋处治层的各层岩性特征参数如表1。
2.未加筋与加筋的沉降位移对比。运用差分软件模拟软基路段加筋处治时，可以设置监测点来监测各处的沉降位移变化，在已填筑完成的路基顶部自左向右每隔2m布置一个监测点，共9处；同时监测坡脚处及地基顶部中心点处的位移变化。下图1、2即分别为软基在处治前后路基顶部的沉降位移云图。
从上面两幅沉降云图的可以直观地得出：软基在处治后沉降云图上的颜色变淡且分布更为均匀，即表示在处治后路基顶部的沉降位移减小且不均匀沉降也随之较少，沉降影响深度也有显著的减小；同时坡脚外土体隆起量在处治后也有了明显的减小。通过路基顶部各水平监测点，得到了地基在未处治和处治后路基顶部的具体沉降位移情况，如下表2、表3所示。
通过表2、3路基顶处治前后的沉降位移，可得知软基未经处治时最大沉降达到565mm，且距离边坡越近的土体沉降越大；处治后路基顶部最大沉降位移为70mm，较之未处治时沉降有了大幅度的减小。在进行数值模拟时同时也监测了地基顶中心处和坡脚中心处的沉降位移变化情况，在未处治时地基顶处的沉降位移为21.5mm，坡脚处隆起位移为410mm；经过处治后地基顶部沉降位移为15mm，坡脚处隆起位移为8.6mm。将地基加筋处治前后路基地表的沉降位移绘成图5所示，可以很明显地看出：地基在处治前路基顶部沉降位移很大，且沉降很不均匀；处治后沉降位移变化明显减少，而且沉降比较均匀。
四、结论与建议
本文以实体工程为依托，采用有限差分数值模拟的方法，建立起软基加筋+砂垫层法的数值模型；再通过布设在路基顶的监测点，定量化的形式计算出软基在未经处治和处治后的沉降位移情况，得出的结论及建议如下。
1.软基在未采取处治时路基顶部的沉降很大，最大值达到565mm，地基顶处的沉降位移为21.5mm，坡脚处隆起位移为410mm；采取加筋+砂垫层法处治后路基顶部的最大位移为70mm，地基顶部沉降位移为15mm，坡脚处隆起位移为8.6mm。处治后路基顶部沉降位移显著减小，且变得更为均匀，即表现为不均匀沉降得到很大的缓解。
2.通过软基未处治和处治后的坡脚外隆起量的对比，得知在采取加筋+砂垫层法处治后，隆起量减小且更为均匀，由此可见在处治后边坡的稳定性达到加强。
3.有限差分数值分析法能定量计算出公路软基路段路基地表的沉降变形，为预测和控制地表沉降规律提供了可靠的科学依据
参考文献：
[1]河海大学.交通土建软土地基工程手册[M].北京：人民交通出版社，2001.
[2]南宁外环公路工程地质勘察报告第五册[R].广西区交通规划勘察设计研究院，2010.
[3]刘欢.云南低等级公路软土路基处治技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.
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[5]樊正洪.浅谈土工格室在软土路基处理中的应用[J].中国科技信息，2005，32（17）：1324-1328.
[6]戴庆民，盖希光.土工格栅加筋方法在软基处理工程中的应用[J].城市道桥与防洪，2002，10（3）783-78.