基于極限變形模量的高速公路地基處治研究

李婷婷

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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基于極限變形模量的高速公路地基處治研究

李婷婷

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

為了研究高速公路路堤地基處治標準，合理確定相關設計參數，文章以變形模量為主要控制參數，以路表變形為控制指標，通過建立路表工后沉降與路堤地基變形模量關系，確立了以極限變形模量作為高速公路路堤地基處治標準的方法，并在此基礎上系統地提出了能夠表征柔性基礎特性的高速公路路堤地基的設計思路。

路基；地基處治；有限元；極限變形模量；沉降量

0　引言

高速公路填土路基主要由路堤填土和地基兩大部分組成，由于路堤填筑人為控制，其穩定性相對可靠，而地基部分受其自身特性、路堤填料及行車荷載等多因素的影響，其穩定性和變形對高速公路的穩定性影響更大；文獻表明，一般路基工后沉降的80%～90%來自地基變形[1]。因此，高速公路路堤地基的設計尤為重要。然而，目前我國僅有針對軟土路基地基的設計規范，對一般路基地基的設計多參照建筑工程相關規范和經驗，不夠精準[2]；國內外學者針對這方面的研究也主要局限于某一種特定的土質或某一工段，缺乏普遍適用性[3][4]。

考慮到路表沉降量是國內外普遍采用的路基變形控制指標，該指標在相關規范中已有規定，且路表沉降主要由地基沉降引起的。因而，本文采用有限元和正交

試驗方法進行建模計算，計算不同因素下一般路堤路基路表沉降量，并計算了相應的工后沉降量，然后通過回歸計算建立了路堤地基變形模量與路表工后沉降及變形敏感參數的關系，與路表工后變形控制指標相對應的地基變形模量被定義為極限變形模量，該極限變形模量被作為地基綜合控制標準，最后提出了以極限地基變形模量為設計指標的設計思路。

1　高速公路路基建模分析及計算

由于本文研究的重點和思路是通過路表工后變形反算地基變形模量，并建立地基變形模量與路表工后變形、相關變形敏感參數的關系式，最終確立能表征地基綜合強度及其柔性特征的變形模量作為地基設計指標。為此，本節首先搜集和整理一般路基的設計參數，確立參數及范圍，設計正交實驗表格；然后進行建模和有限元計算，計算出路表的總沉降；再根據路表工后沉降與總沉降、路基填土高度的關系，計算出相應的路表工后沉降，為下一節建立與地基變形模量的關系提供基礎數據。

1.1建立模型[5]

將路基看作橫向對稱結構，對其半幅進行建模計算。根據相關資料中路基對地基影響深度的研究，對地基深度按照路堤填料高度的8倍取值；考慮計算結構的力學特性，在地基底部和右部分界部分設置為不可變形約束，在路基中間分界部位設置為水平約束。具體見圖1。

1.2路基參數及有限元計算

由于該設計方法主要針對一般路基進行研究，因此主要通過對國內一般路基參數進行搜集和分析，根據各參數變化情況，確立了固定參數和范圍參數，然后進行正交試驗，并用有限元分析法分別計算各組數據。

1.2.1路基參數

根據搜集和分析的一般路基數據，按照國內大概率使用情況對邊坡坡度和路基寬度分別設置為固定值1∶1.5和26 m，按照各參數對變形的影響敏感性分析結果，對變形敏感性較小的地基粘聚力和內摩擦角分別取為固定值35 kPa和30°，其他參數根據一般路基情況確定取值范圍。各參數見表1、表2。

圖1　路堤結構及建模示意圖

名稱邊坡坡度寬度B(m)填筑高度H(m)回彈模量E0(MPa)重度γ(kN/m3)變形模量E(MPa)取值1∶1.5262～820～7014～268～30

表2　b地基參數數值表

1.2.2計算結果

根據參數取值設計正交試驗，并進行有限元計算，結果見表3。

表3　正交試驗及模型計算結果匯總表

1.3路表工后沉降量計算

上節計算得出了不同參數組合情況下路表的總沉降，本節通過建立總沉降與工期沉降量的關系，計算出相應的路表工后沉降量見表4及圖2。根據相關資料[6][7]，建立起工期沉降量與總沉降量的關系式，以計算工后沉降，見式(1)。

表4　不同填土高度下工期沉降量與總沉降數據表

圖2　填土高度比與工期沉降比例關系曲線圖

(1)

式中：Y——工期沉降占總沉降的比例(%)；

X——填土高度(m)。

根據有限元計算出的路表總變形以及填土高度與工期沉降比例關系計算出相應的路表工后變形，結果見表5。

表5　工后變形計算結果數值表

2　地基極限變形模量關系式

對前述正交試驗表中的相關設計參數以及對應計算的路表工后變形數據，應用數據分析軟件回歸分析，建立地基變形模量與路表工后變形、路堤填土高度、填土彈性模量及填土重度等參數的數據關系，工后變形為允許值時對應的為極限地基變形模量Ej。

lnEj=-0.528+1.263lnH-0.082lnE0+1.036lnγ

-1.013lnSl

(2)

式中：Ej——地基極限變形模量(MPa)；

H——填土高度(m)；

E0——路基填筑材料彈性模量(MPa)；

γ——填筑材料重度(kN/m3)；

Sl——工后容許變形(cm)。

本節建立了地基變形模量與填土高度、填料種類、路表工后變形的關系式，利用各相關參數與地基模量的數學關系，在路基設計參數一定的情況下，可以便捷地計算出地基容許變形模量，然后根據對地基變形模量的原位測試，判斷地基的穩定性是否滿足設計要求，從而為確定處治措施提供依據。

3　地基處治思路

根據建立的地基極限變形模量與地基相關設計參數的關系，以及規范對路表工后變形的要求判別出公路地基的穩定性是否滿足要求，當不滿足要求時，需要對地基進行處治，而處治的思路是將原始地基進行加固，以確保其綜合模量達到極限變形模量。

3.1處治參數

(1)地基容許模量E

E=Ej

(3)

式中：E——地基容許模量；

Ej——基于路表工后絕對沉降標準極限地基土變形模量(MPa)。

(2)處治層模量Ec

由處治方式確定，可根據設計方案獲取或計算。

(3)處治深度h[8]

基于變形等效原則，采用上節計算數據和方法，建立地基綜合變形模量Ed與地基處理深度d、處治層模量E1、未處治層模量E2關系式，確定處治深度h。如圖3和表6所示。

圖3　綜合模量計算參數圖

序號處治層厚度(m)處治層模量(MPa)下層原狀地基變形模量(MPa)綜合模量(MPa)11487.5621101413.7531162019.7941303030.00534149.75631088.2973163026.1083302021.20954209.14105103018.701151689.45125301416.741374307.94147102013.87157161414.7816730812.20

建立處治參數關系式為：

lnEd=0.345 5-0.142 27 lnh+0.405 33 lnEc+0.516 63 lnEx

(4)

式中：Ed——地基綜合變形模量(MPa)；

h——地基處治深度(m)；

Ec——處治層模量(MPa)；

Ex——下層原狀地基模量(MPa)。

在地基綜合模量Ed與容許模量E相等時，可計算出地基處治深度h。

3.2設計流程

高速公路路堤地基設計受地基處治方案等多種因素影響，按照極限模量設計準則，主要設計流程如下：

(1)確定路表變形標準；

(2)計算地基設計模量；

(3)測試原地基的變形模量，并與設計模量比較，若不滿足設計要求則需要進行下一步；

(4)從經濟、工期等多角度考慮，確定地基處治方案；

(5)根據處治方案，確定處理層變形模量；

(6)根據以上數據計算地基處治深度。

4　結語

(1)路表工后變形是反映高速公路路基穩定性的直觀參數，也是最易于獲取的路基變形控制指標之一，本文基于此，以路表變形為控制指標反算地基變形模量，并建立相關計算式，提出了以極限變形模量為控制指標的地基處治標準。

(2)針對需要處治的地基，以等效變形為原則，建立了地基處治模量計算關系式，提出了地基處治深度的計算思路。

(3)基于極限變形模量提出了高速公路路堤地基處治思路。

(4)在模型的建立和參數的選取方面尚不足以反映土體的復雜特性，下一步需要深入考慮土體的本構關系和不同區域的土體特性等方面進行研究。

[1]高力俠.山區高速公路差異沉降控制技術研究[D].西安：長安大學，2004.

[2]GB 5007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[3]辛建麗.黃土地區公路地基承載力驗算方法研究[D].西安：長安大學公路學院，2004.

[4]支喜蘭.黃土地區公路路基地基承載力評價方法研究[D].西安：長安大學公路學院，2005.

[5]王靖濤.建立巖土本構模型的數值方法[J].華中科技大學學報：城市科學版：2002，19(1)：42-47.

[6]劉吉福.沉降速率與剩余沉降的關系[J].廣西大學學報：自然科學版，2010，35(1)：193-198.

[7]周全能.軟土路基后期沉降推算方法及誤差分析[J].巖土力學，2007，28(3)：512-516.

[8]閆強.高速公路路堤地基處治標準研究[D].西安：長安大學公路學院，2011.

Study on Expressway Foundation Treatment Based on Limit Deformation Modu-lus

LI Ting-ting

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to study the expressway embankment foundation treatment standard and to reasona-bly determine the relevant design parameters，this article took the deformation modulus as main control parameter，with road surface deformation as control index，and through establishing the relationship between road surface post-work settlement and embankment foundation deformation modulus，it es-ta-blished the method with limit deformation modulus as expressway embankment foundation treatment standard，and then on this basis，it systematically proposed the expressway embankment foundation design concept which can characterize the basic flexible features.

Subgrade；Foundation treatment；Finite element；Limit deformation modulus；Settlement

U412.36+6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.005

1673-4874(2016)05-0017-04

2016-04-29

李婷婷(1981—)，工程師，主要從事公路工程勘察設計及項目管理工作。