高速公路路基加寬樁網(wǎng)復(fù)合處理技術(shù)原理分析與數(shù)值模擬

薛建榮，楊春景

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475001)

進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展對(duì)高速公路的運(yùn)輸能力提出了更高的要求，原有部分路段已不能滿足交通發(fā)展的需要，由此也拉開(kāi)了高速公路改擴(kuò)建工程的序幕[1]。高速公路擴(kuò)建工程的關(guān)鍵問(wèn)題是減小新老路基的沉降差異，保證新老路堤的拼接質(zhì)量，提高新老路堤的結(jié)合強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。采用“水平向加筋+豎向增強(qiáng)體”的樁網(wǎng)復(fù)合地基處理技術(shù)可解決高速公路改擴(kuò)建工程的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 應(yīng)用原理及方法

“水平向加筋+豎向增強(qiáng)體”的樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)是由樁(預(yù)應(yīng)力管樁、CFG樁等)、樁帽、加筋墊層(加筋墊層是在砂或碎石墊層中加鋪一層土工合成材料)以及樁間土構(gòu)成的復(fù)合地基系統(tǒng)，形成樁網(wǎng)墊層復(fù)合柔性基礎(chǔ)，如圖1。樁作用是豎向加強(qiáng)，減小路堤的豎向沉降,特別是路面的不均勻沉降,加筋墊層起到橫向加強(qiáng)的作用，減小路基水平變形,同時(shí),有效地分散路基填土荷載，通過(guò)改變墊層的厚度和模量, 可以調(diào)節(jié)樁之間的應(yīng)力比。

圖1 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁軟基處理方式Fig.1 Processing mode of soft foundation with high strength pre-stress force tubular pile

樁網(wǎng)復(fù)合處理技術(shù)主要作用機(jī)理包括樁身的擠密效應(yīng)、樁間土拱效應(yīng)和加筋墊層均化應(yīng)力效應(yīng)、群樁效應(yīng)4個(gè)方面[2-3]。一方面，采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)，并引入樁土相互作用理論，形成豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基，充分發(fā)揮樁與土之間的協(xié)調(diào)能力和管樁的單樁高承載力，較好的控制了地基變形，保證了路基整體的穩(wěn)定性，樁頂?shù)臉睹保瘶俄攽?yīng)力，有效的減小了樁頂對(duì)路堤的刺入破壞；另一方面，采用復(fù)合加筋墊層，在樁帽的頂部加鋪一層碎石墊層(30～40 cm)，在碎石墊層中增設(shè)一層土工格柵，提高了碎石墊層的整體剛度，形成樁網(wǎng)墊層復(fù)合地基。土工合成材料的加筋作用約束土體的側(cè)向變形，增加了土體的抗剪強(qiáng)度，而樁土組成的復(fù)合地基在加筋墊層的作用下充分發(fā)揮樁間土的承載潛力，使上部荷載通過(guò)加筋墊層在樁土上發(fā)生應(yīng)力重分布，進(jìn)而減少路堤的不均勻沉降。

“水平向加筋+豎向增強(qiáng)體”樁網(wǎng)復(fù)合地基處理技術(shù)也是以控制工后沉降為首要目標(biāo)，要求絕大部分沉降在施工期完成，嚴(yán)格控制工后沉降量，發(fā)揮樁、網(wǎng)、土 這3 者協(xié)同作用。因此，要求加寬部分施工時(shí)除采用臺(tái)階連接，保證必要的搭接長(zhǎng)度外，加寬路基填料的物理力學(xué)特性要與老路基填料相近。填筑路堤除要采用分層填筑、分層壓實(shí)、保證最佳含水率等措施，還要嚴(yán)格控制新老路基結(jié)合帶的壓實(shí), 對(duì)新老路基結(jié)合帶使用大型壓路機(jī)械壓實(shí)。在路槽縱向鋪設(shè)跨施工縫的土工格柵，基底開(kāi)始鋪設(shè)一層土工格柵，以后每個(gè)臺(tái)階頂面均鋪設(shè)一層土工格柵，加強(qiáng)新老路基的橫向聯(lián)系，使新老路基能完全形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。墊層加土工合成材料使墊層剛度作用加大，增加了由土到樁的荷載傳遞，減少了樁間土的不均勻沉降。因此管樁可布置疏樁，一定程度上降低工程建設(shè)成本，加快工程進(jìn)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)連霍高速公路鄭州段改擴(kuò)建工程《巖土工程勘察報(bào)告》[4]可知，該工程場(chǎng)地地形平坦，地貌單元屬黃河泛濫沖洪積平原。根據(jù)勘探結(jié)果，將勘探深度內(nèi)地層分為5層，主要由黃河泛濫沖洪積(Q4al+pl)形成的粉土、粉質(zhì)黏土及砂層組成，各土層情況及其勘探范圍內(nèi)各層土(由上到下)物理力學(xué)指標(biāo)如表1[5-6]。

表1 勘探范圍內(nèi)各層土物理力學(xué)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬

3.1 基本假定

在有限元法分析時(shí)，做了如下假設(shè)[7]：

1)路堤是足夠長(zhǎng)的，按平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)處理；

2)路堤填土和地基土的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr- Coulomb理想彈性模型；

3)復(fù)合地基樁體采用一維梁?jiǎn)卧M，其材料為線彈性；

4)地基土中考慮老路堤土體的固結(jié)，固結(jié)理論采用Biot固結(jié)理論；

5)界面單元采用Goodman單元，豎向剛度和切線剛度系數(shù)均為定值；

6)采用初始應(yīng)力狀態(tài)和逐級(jí)加載技術(shù)模擬老路路基的先期固結(jié)和擴(kuò)建路堤的位移。

3.2 模型的建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)土體本身自重和車輛荷載的影響范圍，取路基計(jì)算深度17.5 m，寬度45 m。在有限元軟件中建立幾何模型，如圖2。

圖2 模型的幾何圖型Fig.2 Geometrical model

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取其1/2進(jìn)行模擬計(jì)算。路基有限元網(wǎng)格劃分，如圖3。

圖3 路基有限元網(wǎng)格劃分模型Fig.3 Plotting in bed model by finite element grids

模型單元網(wǎng)格劃分采用4節(jié)點(diǎn)的四邊形單元。網(wǎng)格的密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有很大的影響，網(wǎng)格劃分的越密，越接近于真實(shí)的情況，但是網(wǎng)格劃分的越密，求解所需的時(shí)間越長(zhǎng)，因此要選取一個(gè)合適的密度，建模時(shí)在遠(yuǎn)離加寬路基部分以較疏的網(wǎng)格劃分模型來(lái)計(jì)算，在加寬部分和樁體部分加密網(wǎng)格，以更好地反映這些復(fù)雜區(qū)域的受力情況。模型主要是土體和混凝土兩種材料，模型劃分以后分別針對(duì)各層土體和混凝土管樁定義各自的單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料屬性等。

3.3 材料計(jì)算參數(shù)

本工程路堤填料選用合適的填料或與老路堤相同的填料或石灰改良土等，為保證新老路堤之間的緊密銜接，提高路堤的強(qiáng)度和整體性，增強(qiáng)其抗變形能力，加寬施工過(guò)程中需要適當(dāng)選擇填料的粒徑，嚴(yán)格控制甚至適當(dāng)提高新路堤填料的壓實(shí)度，填料性質(zhì)指標(biāo)如表2。

表2 加寬新路堤填料性質(zhì)指標(biāo)

地基處理使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，直徑300～500 mm，長(zhǎng)度11～15 m，結(jié)合部樁按縱向線形布置，底部樁按等邊三角形布置，間距采用疏化樁距(間距為6倍樁徑)。樁帽混凝土強(qiáng)度為C 25，墊層材料為碎石墊層，厚0.6 m，褥墊層中鋪一層雙向拉伸土工格柵。

土工格柵采用雙向焊接聚酯或聚乙烯土工格柵，縱、橫向極限抗拉強(qiáng)度≥80 kN/m，縱、橫向標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度下的伸長(zhǎng)率≤13%，縱、橫向5%延伸率時(shí)的拉伸力≥55 kN/m，最小焊接點(diǎn)的抗剝離強(qiáng)度≮100 N，光老化等級(jí)為IV級(jí)。

3.4 條件分析

模型左右邊界為豎向自由和水平約束，下邊界為豎向和水平均約束。在新老路堤結(jié)合處和管樁與土體之間施加接觸分析，更好模擬彼此之間相互作用。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，取單樁結(jié)構(gòu)處理單元進(jìn)行分析,如圖4。

圖4 樁土接觸應(yīng)力分析Fig.4 Contact stress analysis of pile-soil

分析樁和土之間對(duì)上部荷載的分擔(dān)，在樁頂平面處，樁頂均布荷載σp，樁間土均布荷載σs；樁底平面處，樁端均布荷載σpk，樁間土均布荷載σsk。同時(shí)引入樁土相互作用理論[8]：①疏樁與樁間土體為彈性體；②同一水平面，樁間土應(yīng)力相等，樁和土只發(fā)生一維壓縮；③樁側(cè)摩阻力、樁端阻力的變化符合理想彈塑性模型。模型計(jì)算時(shí)需要分析考慮樁土之間的非線性接觸的問(wèn)題以及樁的復(fù)雜邊界約束條件。

3.5 荷載的施加

作用于路基的荷載主要有土體的自重及路面的交通荷載兩種。交通荷載作用下路基路面動(dòng)力響應(yīng)較為復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在道路結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用作用于路表的等效均布荷載來(lái)替代交通荷載的作用效應(yīng)。根據(jù)JTG D 60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，該工程有限元計(jì)算中將車輛荷載等效為10 kN/m靜載。

3.6 計(jì)算求解

通過(guò)有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行最后的處理，得出計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8。

圖5 路基的豎向位移Fig.5 Vertical displacement in roadbed

圖6 路基的豎向位移等值線Fig.6 Isoline chart for vertical displacement in roadbed

由圖6可以看出老路基已經(jīng)固結(jié)，位移變形主要發(fā)生在新路基上。在處理之前最大豎向位移為0.2 m左右，經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁網(wǎng)復(fù)合地基處理之后豎向位移0.02 m左右，使新老路堤結(jié)合處沉降相差更小，滿足工程結(jié)構(gòu)的要求。

圖7 路基的豎向應(yīng)力Fig.7 Vertical stress in roadbed

圖8 路基的豎向應(yīng)力等值線Fig.8 Isoline chart for vertical stress in roadbed

軟土路基在老路堤荷載作用下，主固結(jié)基本完成，沉降趨于穩(wěn)定。但新路堤直接拼寬到老路后，軟土地基應(yīng)力將發(fā)生變化。從圖8可以看出，最大應(yīng)力值為0.42 MPa，主要集中在老路堤坡腳附近。在處理之后土層中應(yīng)力明顯減小，老路堤坡腳處明顯減小。應(yīng)力集中在管樁附近，最大為1.5 MPa，分擔(dān)了土體所承受的荷載，使土體內(nèi)應(yīng)力減小。

圖9是路基施工完成后2個(gè)月新老路堤變形的實(shí)測(cè)位移曲線。在車輛荷載作用下，沉降2個(gè)月后路基變形基本穩(wěn)定，沉降主要發(fā)生在新填土路基下，最大沉降在距路中20 m，最大沉降量為20 mm。老路面沉降在老路肩處沉降最大，路中最小，說(shuō)明處理后拓寬路堤軟土地基的效果良好，可以達(dá)到減少新老路基差異沉降的目的。路堤水平位移均較小，最大為11 mm，說(shuō)明處理后很好地限制路堤填土的水平位移，穩(wěn)定性提高。

圖9 新老路堤位移曲線Fig.9 Displacement curve for old and new embankment

4 結(jié) 論

1)處理后的路基整體性好，路基抵抗不均勻變形(沉降)的能力強(qiáng)，地基差異沉降在傳遞到路基頂部的過(guò)程中被更大范圍的豎向預(yù)應(yīng)力管樁分擔(dān)，新老路基豎向沉降差得到顯著減小。

2)基于土工格柵與填土之間的相互作用機(jī)理，土工格柵應(yīng)用于新老路基結(jié)合部可以提高拼接路基的整體性，改善結(jié)合部應(yīng)力特性，主要是可有效減小側(cè)向位移，在一定程度上減小新老路基的差異沉降。

3)對(duì)于改擴(kuò)建工程施工采用水平向加筋+豎向增強(qiáng)體的樁網(wǎng)復(fù)合地基處理技術(shù)，其質(zhì)量可靠，處理深度大，施工快捷，沉降小，對(duì)老路干擾小，但是雖然采用疏樁法，在一定程度上緩解造價(jià)高的問(wèn)題，相比其他處理技術(shù)措施還是造價(jià)相對(duì)較高。

4)應(yīng)用有限元軟件對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基處理技術(shù)的沉降研究分析，有些方面還是在理想狀態(tài)下進(jìn)行，與實(shí)際相差較大，應(yīng)該進(jìn)一步改進(jìn)，例如充分考慮樁間土的相互作用，以及在循環(huán)荷載作用下，復(fù)合地基產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)、附加沉降及土工格柵產(chǎn)生的蠕變。

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