考慮地基土固結的樁承式路堤位移變化規律有限元分析

曹學衛

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西 孝義 032300）

樁承式加筋路堤是一種由地基、樁、加筋墊層和填料組成的復合體系[1-3]。隨著我國經濟建設的快速發展，其在高速公路和鐵路的地基處理中得到了廣泛應用[4-5]。目前，對樁承式加筋路堤作用機理的研究方法主要包括理論研究、試驗研究和數值模擬3個方面[6-7]。

理論研究方面，太沙基[8]基于砂土活動門試驗證明了土拱效應的存在，并且得出產生土拱效應需要具備的兩個必要條件。Hewlett[9]根據極限平衡理論，分別將路堤土拱形狀假定為半圓形和半球形模型，推導出二維和三維樁基荷載分擔比，并通過模型試驗結果驗證了理論模型的合理性。試驗研究方面，Young[10]，Chen[11]以及Van Eekelen[12]分別通過模型試驗驗證了土拱效應的存在，并對比分析了不同工況下基底沉降、筋材應變和樁體荷載分擔比的變化規律。數值模擬方面，Han[13]采用FLAC闡明了加筋過程中的最大拉力位于樁帽邊緣位置；錢勁松等[14]通過三維有限元計算分析，驗證了樁承式加筋路堤的作用機理，闡明了樁承式加筋路堤能夠充分減小路堤表面不均勻沉降以及地基軟土中的超孔隙水壓力；余闖等[15]在模型試驗結果的基礎上建立了三維有限元計算模型，通過分析樁承式路堤中土體豎向應力的分布特點，揭示了土拱內部的豎向應力隨深度非線性減小；賴漢江等[16]通過PFC 2D建立樁承式路堤離散元計算模型，針對土拱形態及其演變規律進行了分析研究，同時引入荷載修正系數對土拱模型進行了改進，并開展了筋材受力變形計算。

綜上可知，許多學者通過現場試驗和室內試驗對樁承式路堤進行了研究，但是，考慮地基土固結影響的研究比較少見。

本文通過有限元計算方法對考慮地基土固結沉降作用的樁承式路堤進行了研究，主要考慮了加筋與地基土固結沉降情況等參數，對樁承式路堤沉降變形性狀進行了分析研究。

1 有限元模型建立

采用有限元軟件對樁承式加筋路堤位移變化特性進行分析研究，創建路堤二維平面計算模型，其長度和高度分別為200 cm和100 cm，模型左右兩側各布設樁徑為5 cm的剛性樁作為側樁，模型路堤中間等間距布設樁徑為25 cm的剛性樁，剛性樁的高度均為50 cm，分別在埋深15 cm、30 cm、45 cm的位置進行監測。模型路堤填料和樁間土均選用了標準砂，且顆粒粒徑主要集中在1～10 mm。采用顆料級配測定試驗（篩分法）、三軸壓縮試驗（UU）等常規試驗方法對標準砂填料物理力學性質進行了系統測定，相關物理參數根據室內試驗選取，樁體和土工格柵材料參數根據室內試驗結合相關文獻[6-7]進行選取，模型各項材料參數詳見表1。

表1 材料參數表

為了模擬砂土與樁體間相互滑移，在樁土與砂體間建立界面單元，參考相關文獻[15-16]接觸參數取值如下：法線剛度模量Kn=1e+09 N/m3，剪切剛度模量Kt=1e+03 N/m3，黏聚力C=5 N/m2，摩擦角φ=35°。模型表面為自由邊界，兩側為法向位移約束邊界條件，模型底部一組為固定邊界條件，用以對模型進行約束，另一組為配合模型底部樁間砂土下沉進行釋放，用以模擬地基土的固結過程。

首先，進行初始地應力平衡，位移清零。然后通過釋放中間3根樁間砂體底部約束，并對相應節點施加垂直向下的位移來模擬地基土的固結沉降，采用軟件施工階段分析，逐級施加位移增量，從5 mm增加至40 mm，模擬分為5個等級進行。左右兩側樁的樁徑為5 cm，中間3根樁的樁徑為25 cm，樁凈距為25 cm，模擬兩種不同加筋工況，即：第一種工況為無土工格柵，第二種工況為在填土高度為5 cm處（即距離模型路堤底面55 cm高度處）設置一層土工格柵。

2 位移計算結果與分析

通過有限元計算獲得了地基土在不同固結沉降工況下的位移場，埋深分別為15 cm、30 cm、45 cm處位移曲線如圖1～圖3所示。圖中origin代表初始工況，位移為0，dis-5代表下沉位移為5 mm工況，dis-5-gs代表下沉位移為5 mm，加筋工況。

圖1 埋深為15 cm的砂體不同工況沉降曲線圖

圖2 埋深為30 cm的砂體不同工況沉降曲線圖

圖3 埋深為45 cm的砂體不同工況沉降曲線圖

圖1表明，隨著地基土固結沉降的增大，樁承式路堤的位移逐漸增大。當地基土固結沉降為5 mm時，加筋前后位移基本一致且約為0.9 mm；當地基土固結沉降達到20 mm時，加筋效果開始體現，路堤位移從加筋前的3.5 mm減小為2.5 mm，減小了1.0 mm；當地基土固結沉降達到30 mm時，路堤位移從加筋前的5.3 mm減小為3.4 mm，減小了1.9 mm；當地基土固結沉降達到40 mm時，路堤位移從加筋前的7.0 mm減小為4.2 mm，減小了2.8 mm。因此可得出，樁承式路堤位移的減小值隨地基土固結沉降的增大而增大。未加筋時，位移隨地基土固結沉降量呈線形關系；加筋后，加筋控制效果隨地基土固結沉降量的增加而增強。

圖2表明，埋深為30 cm同埋深為15 cm的情況類似，隨地基土固結沉降的增大，樁承式路堤的位移逐漸增大。沉降曲線形狀整體呈W形狀，且隨地基土固結沉降的增大，中心點與兩側位移極值點的位移差增大。當固結沉降量為5 mm時，加筋前后位移基本一致，約為1.1 mm；當固結沉降達到20 mm時，加筋效果開始顯現出來，路堤位移從加筋前的4.3 mm減小為3.2 mm，減小了1.1 mm；當固結沉降達到30 mm時，路堤位移從加筋前的6.4 mm減小至4.3 mm，減小了2.1 mm；當固結沉降量達到40 mm時，路堤位移從加筋前的8.6 mm減小為5.3 mm，減小了2.3 mm。同樣，未加筋時，位移隨地基土固結沉降量呈線形關系；加筋后，加筋控制效果隨地基土固結沉降量的增加而增強。樁承式路堤位移減小值隨地基土固結沉降的增大而增大。

圖3表明，埋深為45 cm時，中心點位移與兩側位移極值點的位移差進一步增大。當固結沉降量為5 mm時，加筋前后位移基本一致，約為1.5 mm；當固結沉降量達到20 mm時，加筋效果開始顯現出來，路堤位移從加筋前的6.3 mm減小為4.6 mm，減小了1.7 mm；當固結沉降量增至30 mm時，路堤位移從加筋前的9.5 mm減小為6.1 mm，減小了3.4 mm；當固結沉降量達到40 mm時，路堤位移從加筋前的12.7 mm減小為7.7 mm，減小了5 mm。顯然，樁承式路堤位移減小值隨地基土固結沉降量的增大而增大，且經與前兩種情況比較發現，每個固結沉降增量對應路堤位移減小值較埋深15 cm和30 cm時增大。因此，結果表明，隨埋深的增加，加筋效果逐漸增強，且差異沉降越大加筋效果越顯著。

3 結語

針對樁承式路堤問題，采用有限元計算方法進行了研究，主要考慮了地基土固結沉降和加筋與否兩個影響因素，研究了不同埋深處的路堤位移變化規律，主要得到以下結論：

a）加筋體能夠有效減小樁承式路堤的位移，且差異沉降越大加筋效果越顯著。

b）樁承式路堤位移的減小值隨地基土固結沉降的增大而增大。

c）隨埋深的增加，樁承式路堤位移逐漸增大。