高速公路軟基處理新方法及其處理效果數值模擬

劉蘇弦 劉思佳

摘 要：依托某高速公路工程，提出了軟基處理的新方法，通過建立軟基沉降影響評價的數值模擬模型，利用數值計算方法分析其對路基沉降變形的影響。

關鍵詞：軟基處理；新方法；沉降影響；數值模擬

目前我國加固軟土地基的技術逐漸成熟，常使用的地基處理方法有排水固結預壓法、水泥土攪拌法、CFG柱法等。在現代施工技術、新材料的保障下，及新加固技術的發展方向下，本文提出連續鋼板墻加對拉筋連接的新型加固結構體系來加固軟弱土路基，在不改變軟弱土的工程物理性質的條件下，依靠結構的整體性來約束路堤的變形及提高其承載能力的處理方法，同時，本文借助有限元數值技術模擬新方法對高速公路軟土路基沉降處理效果。

1工程背景

X工程為位于內陸湖泊沿線的某高速公路， 4車道，設計速度為120km/h，路基寬28.5m該段軟弱土屬內陸湖相沉積地層。其土層的分層情況如下：

第一層：平均厚3m，粘土，軟塑狀，中～高壓縮性。

第二層：平均厚0.8m，極細砂，濕重度為19.2kN/m3，不排水不固結粘聚力為3Pa ，不排水不固結內摩擦角為18°。

第三層：平均厚11.7m，游泥質粘土，流塑～軟塑狀，含有機質，高壓縮性，天然含水量37.6%，濕重度17.6 kN/m3。

第四層：中風化砂巖，飽和單軸抗壓強度為34.6MPa，天然重度25.3kN/m、飽和重度 25.6kN/m3。

2 高速公路軟基處理的新方法

圖1 高速公路軟基處理新方法的構造圖

本文提出的高速公路軟基處理的新方法的處理結構的組成及構造見圖1。路堤自重與行車荷載主要由柔性拉筋帶承擔，柔性拉筋帶受豎直力后將發生一定的形變，變形后的柔性拉筋帶將豎向荷載轉化為沿拋物線切線方向的拉力，從而將所受之力通過連續板樁墻傳遞給位于拉筋帶下方的軟土層及軟土層下的堅實土層。在足夠大的拉力作用下會使剛性板樁墻產生向路堤內側的同向位移或者約束剛性板樁墻產生向路堤外側的反向位移，封閉于板樁墻內的下臥軟土層，就不可能向路堤外側側向擠出，或者向位于軟土層底的堅硬土層方向移動，軟土在自身的體積基本不變的情況下，會向路堤方向擠，從而會對路堤產生一個向上旳“浮托力”可以約束路堤的下沉。這樣形成一個相互聯系，而又相互制約的矛盾體系而起到間接加固軟土路基的作用。

3 軟基處理效果的數值模擬

為了探討軟基處理新方法結的處理效果，先假定一系列的假設值，然后根據不同情況模擬分析。其中假設板樁墻出露段H1=4m、埋入段H2=21m （其中軟土層為20m，板樁墻嵌入密實土層的深度為1m）；路堤寬B=25m；路堤高7m （其中放坡坡率為1：1及高H0=3m、寬b1=3m）。

3.1 數值模擬模型的建立

采用PLAXIS建立二維平面有限元模型進行分析，根據新型結構的工作原理及其平面對稱的幾何特征，取單位長度路堤等效考慮，暫不考慮路堤下方的軟弱土層的自身固結沉降，以及地下水位的升降變化。路堤兩側縱向板樁墻連續布置，拉結筋帶按每延米考慮。為使分析模型比較接近實際，在剛度差異很大的樁土之間，以及拉筋帶與土之間設接觸面單元，假定符合摩爾一庫倫屈服準則的彈塑性模型，界面強度參數（C， ）取有關土體的一般強度參數。有限元模擬計算區域的寬度取相應于路堤寬度的5倍，深度取至密實土層頂面下10m為止。當路堤寬度變化時，為方便因路堤寬度的改變而引起的沉降的對比分析，統一取路堤沉降影響區域為125m。示意圖如下圖2所示，幾何邊界條件為左右邊界施加滑動約束，而底部邊界固定。

圖2模型幾何示意圖

3.2路堤寬度對路堤沉降的影響

在保證其他假設條件不變的情況下，將路堤寬度分為15m、20m、25m、30m，四種情況進行數值模擬后對其沉降曲線進行對比分析。沉降曲線圖見圖4。

圖3不同路堤寬度對沉降影響圖

圖3說明當其他因素不變時，如果路堤寬度過大時，會導致板樁墻向路堤外側產生較大位移而使拉筋繃直。說明在其他因素不變的情況下路堤寬度變化是個對沉降影響較大的因素。

3.3板樁墻剛度對路堤沉降的影響

在保證其他假設條件不變的情況下，將板樁墻的抗彎剛度分為8 106kN/m2、8 107kN/m2、8 108kN/m2、8 109kN/m2，四種情況進行數值模擬后對其沉降曲線進行對比分析。沉降曲線圖見圖4。

圖4 板樁墻抗彎剛度對路堤沉降的影響圖

從圖4可以得出：板樁墻的抗彎剛度過小時路堤將產生較大的不均勻沉降，主要是板樁墻的彎曲變形影響的。當板樁墻的抗彎剛度足夠大時，板樁墻的彎曲變形較小，路堤的沉降主要來自拉筋的下沉。

3.4板植墻嵌入密實土層的嵌固深度對路堤沉降的影響

在保證其他假設條件不變的情況下，將板樁墻嵌入密實土層的嵌固深度分為0.5m、1m、1.5m、2m，四種情況進行數值模擬后對其沉降曲線進行對比分析。沉降曲線圖見圖5。

圖5 板樁墻嵌入密實土層不同深度對路堤沉降的影響圖

我們可以清楚的看出四種不同嵌入深度的條件下所產生的四條不同的沉降曲線變化差異不大，其最大沉降量都出現在路堤正中央，各條沉降曲線的交點出現在75m處（板樁墻所在位置）。其中嵌入0.5m的模型路堤內側的沉降量相對最大路堤外側的隆起量相對最大，嵌入2m的模型路堤內側的沉降量相對最小路堤外側的隆起量相對也最小。結論：在其他因素不變的情況下，刻意加大板柱墻的嵌入密實土層的深度對減少路堤的沉降意義不大，取嵌入深度為0.5～1m是經濟合理的。

4 結束語

本文進行了數值模擬分析，針對某軟弱土地基上高路堤問題釆用本新型結構進行加固，在不同影響因素的條件下，利用數值計算方法分析其對路基沉降變形的影響，得到了其變形位移規，希望本理論能在將來的建設發展中變成現實，為國民經濟社會的發展做出一定的貢獻。

參考文獻

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