不同地基處理過渡段工后沉降數值分析

唐棟華，陳海波

(1.南京地鐵集團有限公司,江蘇 南京 210029; 2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029)

0 引言

我國東南沿海地區普遍存在深厚軟土地基,特別是浙江沿海,此類情況更為突出,溫州、臺州等地區厚度30 m以上的軟土較為普遍。線狀分布的公路工程建設中根據路段類型、地質條件等不同,會采取不同的處理方式,因此在一個路段內可能存在兩種或多種不同的軟基處理方式。如塑料排水板是通過加快孔隙水的流動加速孔隙水排出,軟土加速固結以減小軟土地基的工后沉降;水泥攪拌樁復合地基是通過在軟土中增加豎向增強體以提高加固區的承載力來減小軟土地基沉降量,最終達到減小工后沉降的目的[1-3]。由于不同軟基處理方式的加固機理各不相同,道路建成運營期間的工后沉降發生、發展也有較大差異,不同軟基處理方式交接處容易發生差異沉降。在深厚軟土區,普通路段不處理的情況下沉降很大。差異沉降引起路面的不平整,勢必影響行車舒適度。若差異沉降過大,就會出現跳車現象,會使機動車頻繁加減速,甚至危害行車安全。不同軟基處理方式交接處的差異沉降難以避免,因此,必須在相鄰的兩種軟基處理方式之間設置過渡段,在該過渡段范圍內使一種處理方式逐步向另一種方式過渡,使差異沉降得到協調、平穩過渡。

目前,國內外學者對橋頭路段差異沉降處理技術方面的研究較多[4-6],但對同一路段內不同軟基處理段間平滑過渡的研究還比較少,所以亟需對這兩種軟基處治措施沉降控制效果開展研究。本文主要分析對象為水泥攪拌樁與塑料排水板過渡段,通過開展數值模擬研究,設置不同的塑料排水板打設間距,探究水泥攪拌樁與塑料排水板過渡段的地基沉降變形規律、差異沉降規律,提出過渡段的優化設計方案。將有效解決水泥攪拌樁與塑料排水板過渡段差異沉降的平穩過渡問題,提高公路軟基的設計水平,促進差異沉降控制技術的發展,為該類工程的技術設計提供可靠、實用的技術支撐。

1 模型建立與參數界定

1.1 建立有限元模型

ABAQUS是國際上功能最強的大型通用有限元軟件之一,在求解高度非線性問題方面能力十分優越,且對巖土工程具有較強的適用性。本文將借助該軟件開展有限元分析。

為研究塑料排水板間距對過渡段工后差異沉降的影響,建立基本參照組模型,即水泥攪拌樁路段和塑料排水板路段各取20 m,水泥攪拌樁樁長為20 m,樁間距為2 m;塑料排水板處理深度為20 m,間距為1.1 m。現場試驗段采用梅花形布置。為方便建模,將水泥攪拌樁簡化為方形布置。控制水泥攪拌樁樁間距和處理深度不變,塑料排水板間距分別采用0.7 m,0.9 m,1.3 m,1.5 m建立相應的模型。圖1為參照組有限元模型計算斷面簡圖。

1.2 邊界條件與工況設置

模型在z=0 m的平面內約束x方向、y方向、z方向的位移;在x=0 m和x=30 m的平面內約束x方向的位移,在y=0 m和y=2.4 m的平面內約束y方向的位移。地下水位在地基表面,即在z=50 m的平面內孔壓邊界設為0。在z=0 m,x=0 m,x=30 m,y=0 m和y=2.4 m的平面均為不透水邊界。

頂部為路堤荷載,分左右兩段施加,高度為3.3 m。在水泥攪拌樁處理段先采用線性加載的方式施加路堤荷載,共65 d完成加載。加載完成后對該處理段預壓175 d,再對右側塑料排水板處理段施加同樣的荷載,預壓210 d后完成路段處理。工后固結時間為15 a。

1.3 模型材料參數界定

路堤、墊層和水泥攪拌樁采用摩爾庫侖模型,地基各層土采用修正劍橋模型。通過室內直剪試驗可以得到摩爾庫侖模型的參數,室內試驗確定滲透系數,三軸試驗得到軟土的摩擦角,修正劍橋模型壓縮指數λ、回彈指數κ和應力比M參照陳建峰等[7]提出的修正劍橋模型參數回歸公式計算。

利用有限元進行分析,需要對軟土地基進行處理,為方便研究,將塑料排水板地基簡化成滲透系數相同的天然土層地基進行計算,塑料排水板間距的變化直接影響圓的半徑,塑料排水板間距的變化可以通過改變等效天然土層的滲透系數來實現[8-9]。塑料排水板各間距下處理土層等效為天然土層滲透系數見表1。

表1 塑料排水板各間距下土層等效滲透系數 m/s

2 水泥攪拌樁和塑料排水板過渡段結果分析

依據前文,控制水泥攪拌樁樁長、樁間距和處理深度不變,改變塑料排水板間距,分別設置了0.7 m,0.9 m,1.1 m,1.3 m,1.5 m五組對比模擬試驗,通過控制不變量的方式來研究塑料排水板間距的變化影響軟土地基沉降以及過渡段差異沉降的規律。以道路縱向位置為橫坐標,工后沉降為縱坐標,可以得到不同塑料排水板間距下地基沉降隨道路縱向位置的變化規律。圖2為不同塑料排水板間距條件對工后沉降影響規律圖。

如圖2所示,總體上來看,各種間距下沉降呈先減小后增大,繼而趨近水平的影響規律;在縱向距離處理段16 m左右處,沉降均達到最小值。塑料排水板處理段的工后沉降控制在197.5 mm～231.3 mm;塑料排水板間距的變化對水泥攪拌樁處理段的工后沉降也有影響,離排水板處理段越近影響越大,這是因為塑料排水板的間距改變控制著該處理段前期的固結速率,導致從過渡斷面排往水泥攪拌樁處理段的水不同,從而影響水泥攪拌樁處理段的前期固結效果。不同排水板布置間距下,過渡路段最大差異沉降為30 cm,根據我國《公路路基設計規范》規定,在一般路段工后沉降要不大于30 cm,故不建議采取大于1.5 m的塑料排石板布置間距。

進一步分析塑料排水板間距過渡段的影響,取縱向位置30 m到40 m路段工后沉降的平均數研究,可得塑料排水板處理段工后沉降隨堆塑料排水板布置間距的變化規律,如圖3所示。隨著布置間距的增加,該處理段工后沉降增大,且近似于線性增長,這是由于隨著塑料排水板間距越小,排水效果越好,土的固結較快,工后沉降小。

3 水泥攪拌樁-塑料排水板過渡段設計指南

為使數值模擬研究具有實際工程意義,本節在上文的基礎上建立水泥攪拌樁和塑料排水板過渡段的設計指南。當橋頭處理段水泥攪拌樁樁長已確定,在塑料排水板處理路段選取合適的塑料排水板埋設間距,既可以使過渡段的坡度滿足規范要求(≤0.5%),同時又可以達到降低施工成本的目的。由于篇幅限制,這里重點研究不同水泥攪拌樁樁長下,塑料排水板間距的合理取值,并得出不同水泥攪拌樁樁長下,過渡段坡度隨塑料排水板間距變化的規律。

選取水泥攪拌樁樁長分別為12 m,16 m和20 m建立模型,塑料排水板處理下土層的滲透系數見表1。圖4展示了水泥攪拌樁樁長12 m,塑料排水板間距0.9 m處理方案的地基沉降云圖。由圖4可知,工后固結15 a后,水泥攪拌樁處理段最大工后沉降199.5 mm,塑料排水板處理段最大工后沉降為226.5 mm,最大差異沉降為27 mm,最大坡度為0.39%。

當塑料排水板處理間距發生改變時,即右側處理段土體滲透系數發生變化時,可獲取水泥攪拌樁處理深度為12.0 m時路段最大坡率隨排水板間距的變化規律。同理得到水泥攪拌樁樁長16 m和20 m時路段最大坡率隨排水板間距的變化規律,結果如圖5所示。

由圖5可見,不同樁長下,過渡段坡率均隨塑料排水板間距增加而上漲,且樁長越短,上漲速率越大;在滿足最大坡率小于0.4%的條件下,水泥攪拌樁樁長12 m,16 m和20 m時,塑料排水板可選取的最大間距分別為1.25 m,1.3 m和1.40 m。考慮到實際工程的經濟效益,應當選取盡量大的排水板間距,可減少排水板的用量。

4 結論

本文建立水泥攪拌樁和塑料排水板過渡段有限元計算模型,通過控制水泥攪拌樁樁長、樁間距和處理深度不變,重點研究了塑料排水板間距對水泥攪拌樁和塑料排水板過渡段工后沉降的影響,同時還建立了水泥攪拌樁和塑料排水板過渡段的設計指南,以此分析塑料排水板間距的合理取值,主要得到以下結論:

1)總體來看,各種間距下沉降呈現先減小后增大,繼而趨近水平的影響規律;塑料排水板處理段的工后沉降控制在197.5 mm～231.3 mm,滿足規范的要求。

2)分析塑排板打設間距對過渡段工后沉降的影響發現,塑料排水板打設間距越小,排水效果越好,土的固結較快,工后沉降小;而隨著布置間距的增加,處理段工后沉降近似于線性增長,為滿足規范要求,不建議采取大于1.5 m的塑料排石板布置間距。

3)滿足最大坡率小于0.4%的條件下,當水泥攪拌樁樁間距為2.0 m,樁長12 m,16 m和20 m時,塑料排水板可選取的最大間距分別為1.25 m,1.30 m和1.40 m。