基于數值分析的縱向加筋對浸水路堤的穩定性影響研究

和勝軍

摘要：萬萬高速公路南段路基在雨季長期處于浸水狀態，如何提高浸水路堤的長期穩定性是亟待解決的工程問題。本文針對樁網縱向加筋對浸水路堤穩定性的影響展開研究，研究采用FLAC3d軟件構建浸水路堤的三維數值仿真模型，針對浸水路堤樁網加固的不同參數（樁間距、樁長等）對路堤的變形特性、承載能力及荷載傳遞特性等的影響進行研究，研究結論可應用于指導樁網加固浸水路堤的設計與施工。

Abstract： The subgrade of the southern section of Wanxiang-Wanrong Expressway has been flooded for a long time in the rainy season. How to improve the long-term stability of flooded embankment is an engineering problem that needs to be solved urgently. In this paper， the influence of longitudinal reinforcement of pile network on the stability of flooded embankments is carried out. The research uses FLAC3d software to build a three-dimensional numerical simulation model of flooded embankments. The effects of deformation characteristics， bearing capacity and load transfer characteristics are studied， and the research conclusions can be used to guide the design and construction of pile network to strengthen flooded embankments.

關鍵詞：浸水路堤;樁網;復合地基;數值分析

Key words： flooded embankment;pile network;composite foundation;numerical analysis

中圖分類號：U416.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0131-03

1? 工程背景

萬萬高速公路是老撾磨丁口岸至萬象高速公路中的萬榮至萬象段，該高速公路起于萬象市，終于萬榮市，向北經瑯勃拉邦對接中國磨憨口岸，順接G8511昆明至磨憨高速公路;向南連接老撾-泰國邊境的老泰友誼大橋，連接泰國廊開區境內的高速公路，是亞洲昆曼國際大通道的重要構成部分，此高速公路的設計全長達460余公里，其中第一段萬象至萬榮高速公路的全長為109.1公里。

由于萬萬高速地處熱帶雨林地區，該高速公路穿行地段高溫多雨，年平均氣溫處于25～28℃之間，全年雨季長，年降水量大，可達2000mm以上。萬萬高速公路南段地處萬象平原地帶，地勢平緩，河道稀疏，排水條件差;此外，萬萬高速公路與中老鐵路并肩而行，當雨季來臨的時候，鐵路與公路之間會產生大量雍水，盡管公路和鐵路均設有排水涵洞，但涵洞間距較遠，且兩側地勢平緩，排水效果較差。在典型的熱帶雨林區，高溫多雨是其明顯的氣候特征，導致其高速公路在建設期和運營期存在大量的雨水。水會對土質路基的強度和變形產生重要的影響，是導致路基病害的關鍵因素，長期浸水的高速公路路基很容易受到水的侵蝕和軟化，水的綜合影響將危機高速公路路基的安全，常常引發公路路基土體的軟化、顆粒流失，并進一步導致路基的翻漿冒泥、整體失穩、邊坡垮塌等一系列的病害，對行車安全產生重大危害，甚至會阻斷道路交通，造成巨大的經濟與安全損失。

采用微型樁縱向加筋是地基加固的常用方法，本文擬采用數值分析方法研究樁網縱向加筋對浸水路堤穩定性的影響，研究樁網的不同參數對路基穩定性產生的不同影響，以期為浸水路堤的加固與病害處治提供技術方案的選項。

2? 樁網縱向加筋復合地基數值模型構建

為了研究萬萬高速公路樁網縱向加筋對浸水路堤穩定性的影響，本研究擬采用FLAC3D建模的方法進行數值分析，對路堤縱向加筋形成復合路基，研究不同的加筋參數包括：樁長和樁間距等對路基的沉降特性、承載能力及荷載傳遞特性的影響進行研究。

2.1 模型構建

研究對象選擇釆用CFG樁加固，樁頂墊層厚度為0.3m，路基頂面寬度為46m，橫坡與縱坡的坡度均為0°，路堤邊坡坡度為68.2°，如圖1所示模型中土體的本構模型采用摩爾-庫侖模型，在分析時由于填方路基可以歸納為軸對稱平面應變問題，依照對稱性原則完成對模型的假設：①土的滲流速率恒定可以忽略時間的影響;②土為彈塑體;③土體中水的流動遵從達西定律;④土是連續且土體均勻。采用FLAC3D有限元軟件建立公路模型，并完成對模型的網格劃分，由于地基在變形中位移量較小，因此劃分較為稀疏;路基在變形中的位移量相對來說較大，因此在劃分網格的時候較為密集，在不影響計算精度的同時，加快計算進程。在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束;對地基橫向施加約束，豎向不施加約束。

2.2 模型參數選取

數值分析模型中原位地基土體、路基填料、墊層等材料的本構模型均釆用Mohr-Coulomb模型，采用Mohr-Coulomb模型不僅反映實際受力和變形能力較好而且參數容易確定。樁基礎的本構模型釆用線彈性模型，模型參數主要包括彈性模量E和泊松比。模型中主要材料的物理力學參數見表1所示。

3? 數值分析結果

3.1 路堤土壓力橫向分布模擬分析

如前所述建立數值模型，對不同路基填筑高度條件下的路堤豎向土壓力進行計算，分析得出不同路基填筑高度時的豎向土壓力分布規律，共分析了三種路基填筑高度，分別為：2m、4m、6m，不同填筑高度時路堤豎向土壓力的分布特征見圖2所示。

由圖2可知，當路基填筑高度H=2m時，路堤的樁間土拱高度約約為1.2m，約為樁凈間距的1.2倍;當路基填筑高度為4m時，樁間土拱高度達到1.7m，約為樁凈間距的1.7倍;而當路基填筑高度H=6m時，樁間土拱高度約為1.9m，相當樁凈間距的1.9倍。

3.2 路堤基底應力模擬分析

對不同路基填筑高度條件下的路堤基底應力進行數值計算，分別針對三種不同路基填筑高度進行計算，包括2m、4m、8m，可分別獲得不同路基填筑高度是的路堤基底應力，不同路堤填筑高度時的基底應力分布曲線見圖3所示。

由圖3可知，樁頂基底應力顯著大于樁間土應力，應力最大位置處于路基中心樁頂處，與此同時路基的基底應力自路基中心向外逐步衰減，在邊坡范圍內快速衰減為零。此外隨著路基填筑高度增加，樁頂處承擔的應力快速增加，應力的分布形狀逐步由弧形分布轉變為線性分布。當路基填土高度為2m時，路基橫向樁頂應力分布基本均勻;而當路基填土高度達到8m時，路基寬度范圍內樁所承受的應力分布差異逐步加大，路基中心樁基承受的壓力顯著大于外側樁頂承受的應力。

3.3 樁間距和樁土應力比模擬

本文進一步分析了樁間距對樁土應力比的影響，分析結果如圖4所示，根據樁間距和樁土應力比的關系曲線可知，隨著樁間距的增大，樁間應力比同步增大，而且當路堤填高較小時，隨著樁間距的增加樁土應力比快速增加，而當路堤的填土高度大于8m時，柱間距的變化對樁土應力比的影響變得很微弱，樁間距對于樁土荷載分擔所產生的調節作用不再明顯。

3.4 基底樁土沉降橫向分布模擬

此外，本研究還對不同樁帽高度對樁土沉降的影響進行了分析計算，分別計算了樁帽高度為2m、4m、6m時，樁頂沉降量、樁間土的沉降量、樁土差異沉降量三個參數，計算結果如圖5所示。

根據圖5的數據可知，隨著路堤填土高度的增加，路堤的總沉降量同步增加，而柱間土的沉降量要顯著超出樁頂的沉降量。當路堤填筑完成時，路堤中心位置樁間土的累計最大沉降量達到143.2mm，而樁頂的累計沉降量為140.3mm。樁頂和樁間土的沉降量沿基底的分布趨勢基本保持一致，呈現出自路基中線向坡腳處逐步遞減的“U”型曲線;隨著路堤填方的增高，路基寬度范圍土體的沉降增速逐步大于邊坡的范圍，而且在路堤中線附近土體的沉降速率最大。

4? 結語

根據現場試驗得到的土體物理力學參數，構建了數值分析模型，模擬了浸水路堤縱向加筋對路堤穩定性的影響，綜合考慮了不同的樁間距、樁長、路堤填土高度等不同參數組合對浸水路堤荷載傳遞及沉降特性的影響，研究結果表明縱向加筋對浸水路堤的壓縮變形特性具有顯著的約束效應，對路堤的側向變形也具有顯著的約束作用，研究得出的主要結論如下：

①樁所產生的土工效應對路堤應力的影響隨著填土深度的變化為先增后減，且路堤土體壓應力隨著深度的增加同步增加;土工高度隨著樁間距的增大同步增大，與此同時樁頂上方的土壓力也隨之增大。

②處于路堤中線位置的基底樁頂應力值最大，而樁間土所承受的壓應力較小，路堤基底的壓應力隨著與路堤中線的距離逐步減小，處于邊坡范圍內壓應力的衰減效應十分顯著。

③隨著路堤填土高度的增加，樁土應力比逐步增大，當路堤填土高度大于8m時，樁土應力比的增幅逐步減緩，并趨于穩定。

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