樁板結構處理公路軟土地基的數值模擬研究

馬士賓 劉昊楊 徐文斌 許艷偉

摘要 采用樁板結構處理公路軟土地基能夠有效控制路基的沉降。為了研究公路軟土地基經樁板結構處理后的沉降規律，首先采用有限元軟件Abaqus建立了基于biot固結理論的三維非線性有限元模型。然后運用Full Newton法對模型進行了求解，并系統分析了分級加載的條件下，樁距、樁布置形式及板厚等因素對路表沉降、不均勻沉降及板中最大主應力的影響。結果表明：在一定范圍內，板厚越大，樁距越小，路表沉降、不均勻沉降及板中最大主應力越小，樁體按照三角形布置比按照長方形布置更能降低路表的不均勻沉降。研究結論能夠為樁體結構在公路軟土地基處理中的應用提供理論依據。

關 鍵 詞 樁板結構；軟土地基；數值模擬；路表沉降；樁距；布置形式；板厚

中圖分類號 U416.16 文獻標志碼 A

0 引言

隨著公路建設的不斷推進，工程技術人員經常要面臨在軟土地基上填筑路基的技術問題，軟土地基處理的技術難點在于對路表沉降和不均勻沉降的控制，對于沉降控制的好壞完全可以決定公路使用壽命的長短。目前規范[1]中推薦的幾種常用的公路軟土地基處理方法有換填法、排水固結法、強夯法、CFG樁、旋噴樁等，但這幾種方法在處理公路軟土地基方面均有一定的局限性。樁板結構作為一種新型的復合地基，因其對填料要求低，便于控制工后沉降且整體性強、穩定性好等技術特點已經在鐵路路基上得到了廣泛的應用，然而，由于各種主觀和客觀原因，運用樁板結構處理公路軟土地基的工程實例還很少。

樁板結構的組成主要有地基中的樁體和上部的承載板，樁體和承載板之間采用固接方式，施工完成后，樁-板-土會因協同作用形成了一個整體結構。樁板結構具有結構簡單，受力明確，剛度大，穩定性好，豎向變形小，施工簡便等優點，可以有效地滿足公路的穩定和變形要求[2]。對此相關學者進行了一系列研究，涉及到技術的各個方面。沈宇鵬等[3]通過對實際工程的觀測和對比分析了樁頂是否設置碎石褥墊層對沉降量和孔隙壓力的影響。黃龍等[4]通過離心模擬實驗研究了預壓時間對樁板結構路基沉降的影響。劉軍等[5]采用正交試驗方法對板樁結構各部分參數進行了優化分析。譚國湖[6]通過有限元模擬對軟土固結沉降機理進行了分析。何文春等[7]研究了樁板結構在處理路基采空區方面的應用。張定邦等[8]采用試驗和數值模擬結合的方法研究了CFG樁板結構加固公路軟土地基方面的效果。鄒左勝[9]研究了樁-網復合地基各參數對其性狀的影響規律。上述研究大多是針對板樁結構在鐵路路基工程中的應用，相比而言，板樁結構在公路軟土地基處理方面的研究還不夠充分。

本文采用Abaqus有限元分析軟件建立了樁板結構處理公路軟土地基的三維非線性有限元模型，考慮biot固結，使用分析步設定分級加載過程，采用Full Newton法直接非對稱求解器對模型進行求解，以路表沉降、不均勻沉降及板中最大主應力為研究對象，分析了不同樁距，不同布置形式及不同板厚對路表沉降、不均勻沉降和板中最大主應力的影響，最后得出結論：在一定范圍內，樁距越小，路表沉降越小；三角形布置比長方形布置產生的路面頂沉降更小；板厚度的增大，使路表沉降減小。

1 樁板結構有限元模型及參數選取

1.1 建立有限元模型

本文通過Abaqus有限元分析軟件建立了采用樁板結構進行公路軟土地基處理的計算模型，如圖1所示。路線前進方向截取的段落長度為10 m，同時考慮到應力擴散的影響，在垂直路線方向土體兩側比板邊緣寬出5 m。考慮到樁為摩擦樁，主要承載力由樁側摩阻力提供，將樁體等效為方形樁。依據樁體外側周長不變的等效原則，選取樁徑為0.5 m，轉換后方形樁樁徑為0.785 m，取整為0.8 m。

模型具體尺寸如圖2所示，為使計算簡化而做出的假設如下：1）同一種材料為均質、各向同性體；2）路面結構、板體、樁體為線彈性材料；3）路基及土體為彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則；4）樁土之間不發生相對滑動。模型邊界條件：除板兩側各5 m寬的土體上表面為自由透水邊界，其余均為不透水邊界，模型四周邊界施加法向位移約束，模型底部施加固定約束。

為了保證路基的穩定性，使超孔隙水壓力消散，在實際工程中路基是分層填筑的，已有研究中對于路基填筑的模擬大多采用一次性填筑，不夠合理。本文采用多個分析步來實現路基的分層填筑，首先設定*Geostatic分析步得到一個初始的地應力平衡狀態，再按填筑順序分級加載，最后采用*Soils， consolidation分析步進行求解，路基的填筑順序和填筑時間（加載歷時曲線）如圖3所示，設定工后固結時間為12 a。

1.2 參數選取

路面結構及其材料屬性參數如表1所示。路基頂寬為16 m，路基高度為4 m，邊坡坡率為1∶1.5，路基土采用Drucker-Prager（D-P）彈塑性模型，其材料屬性參數如表2和表3所示。路基下設置淤泥質黏土和粉質黏土兩層軟土，厚度分別為12 m和8 m，其中淤泥質黏土采用Drucker-Prager（D-P）彈塑性模型，其材料屬性參數如表2和表3所示，滲透系數為0.000 12 m/d；粉質黏土采用Clay Plasticity模型，其材料特性參數如表4所示，滲透系數為0.000 06 m/d。地下水位位于淤泥質黏土頂面以下1 m，模型具體尺寸見圖2所示。

2 樁板結構處理公路軟土地基結構力學性能分析

2.1 樁體間距的影響

在模型中選取板體厚度為10 cm，按道路中心線對稱設置4根樁，布置形式為長方形，見圖7a），樁距沿路線前進方向為8 m，沿路基橫斷面方向樁距分別選取為8 m、12 m、16 m、20 m、24 m、28 m、32 m。在各樁距下，路表平均沉降、不均勻沉降（最大最小沉降差）及板中最大主應力隨時間變化曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4、圖5、圖6可以看出，隨著樁距的減小，路表的平均沉降和不均勻沉降也在逐漸降低，當樁距小于等于20 m時，路表最終的平均沉降不均勻不大，在樁距為16 m時達到最小值，不均勻沉降則在樁距為12 m時達到最低值，板中最大主應力隨著樁距的減小呈現先降低后升高的趨勢，在樁距為16 m時最低。這主要是因為樁板結構復合地基中樁承擔了絕大部分的荷載，當樁距為32 m，即樁布置在板的兩側位置時，板跨中彎矩最大，隨著樁距的減小，最大彎矩值也在減小，導致板跨中變形減小，從而使路表沉降減小。而當樁距減小到12 m時，板的兩側位置彎矩最大，隨著樁距的減小，最大彎矩值在增大，導致板兩側變形增大，從而使路表沉降增大。表明在一定范圍內，樁間距的減小可以減小板中的最大主應力，有利于降低路面沉降，減小不均勻沉降。

2.2 樁體布置形式的影響

為了研究樁體布置形式的影響，考慮采用樁距為16 m的2×2樁板結構下長方形布置和三角形布置2種布置形式，布置形式見圖7。2種布置形式下，路表平均沉降、不均勻沉降（最大最小沉降差）及板中最大主應力隨時間變化曲線分別如圖8、圖9、圖10。

從圖8、圖9、圖10中可以明顯看出，三角形布置相比于長方形布置，路表平均沉降、不均勻沉降、板中最大主應力均有所降低，其中路表最終平均沉降值降低了5.1%，路表最終不均勻沉降值降低了39.9%，板中最大主應力降低了41.2%。說明三角形布置相對于長方形布置能夠大幅度降低不均勻沉降，減小板中最大主應力。2種布置形式下的板中最大主應力云圖如圖11、圖12所示，從圖中可以看出，造成上述結果的原因是當樁體為長方形布置時，板體存在應力集中現象，而三角形布置能夠使應力分散于整個板體，從而使板的變形較小，達到降低路表的不均勻沉降的效果。

2.3 板體厚度的影響

為了研究板厚對路表沉降和最大主應力的影響，采用布置形式為長方形，樁距為16 m的2×2樁板結構，分別選取5 cm、10 cm、15 cm這3種板厚進行分析，分析完成后，路表平均沉降、不均勻沉降（最大最小沉降差）及板中最大主應力隨時間變化曲線分別如圖13、圖14、圖15。

從圖13、圖14、圖15中可以看出，路表平均沉降、路表不均勻沉降、板中最大主應力均隨板厚的增加而減小，可以說明，在其他條件允許的情況下，應盡可能增加樁板結構的板體厚度。

3 結論

本文通過對樁板結構在公路軟土地基處理中的有限元模擬，在分層填筑路基的荷載作用下，研究了路表平均沉降、路表不均勻沉降和板中最大主應力時間歷程變化，得到以下結論：

1）在一定范圍內，樁體間距的減小可以減小板中的最大主應力，有利于降低路面沉降，減少不均勻沉降。

2）當樁體為長方形布置時，板體存在應力集中現象，而三角形布置能夠使應力分散于整個板體，使板的變形較小，按照三角形布置樁體相較于按照長方形布置對路表最終的平均沉降影響較小，但能夠大幅度降低路表不均勻沉降和板中最大主應力。

3）路表平均沉降、路表不均勻沉降、板中最大主應力均隨板厚的增加而減小，可以說明，在其他條件允許的情況下，應盡可能增加樁體結構的板體厚度。

參考文獻：

[1] 中交第二公路勘察設計研究院. JTG D30-2004，公路路基設計規范[S]. 北京：人民交通出版社，2011.

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[8] 張定邦，朱金鳳. 新型CFG樁板結構加固軟土地基模擬研究[J]. 鐵道建筑，2012（12）：75-78.

[9] 鄒左勝. 樁-網復合地基性狀影響因素三維數值模擬分析[J]. 中外公路，2012，32（2）：7-11.

[責任編輯 楊 屹]