粉噴樁處理高速公路加寬工程新路軟基的數(shù)值分析

陳 磊,李玉芬

(浙江省水利水電工程局,杭州 310020)

目前,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,交通量急速增長(zhǎng),部分不滿足交通量增長(zhǎng)需求的已建少車道高速公路需要進(jìn)行加寬擴(kuò)建[1-2]。由于軟土地基的高壓縮性以及新老路堤填筑時(shí)間的差異性,工后新老路堤間容易產(chǎn)生較大的不均勻沉降,從而引起路面開(kāi)裂破壞,因此需要對(duì)新路軟基進(jìn)行處理,其中粉噴樁復(fù)合地基法廣為采用?？紤]到加寬工程不同于普通道路工程的建設(shè)形式,通過(guò)平面應(yīng)變二維有限元數(shù)值模擬對(duì)粉噴樁的處治方法進(jìn)行研究分析。

1 模型的建立

1.1 有限元程序簡(jiǎn)介

采用荷蘭代爾夫特大學(xué)研發(fā)的巖土工程通用有限元軟件Plaxis。該軟件界面友好,后處理方便,能夠進(jìn)行變形、固結(jié)、滲流計(jì)算,同時(shí)還能進(jìn)行基于強(qiáng)度折減法的穩(wěn)定計(jì)算,并且所具有的梁?jiǎn)卧?、土工布單元、接觸面單元等,使之能夠模擬復(fù)雜的工程情況,因此在國(guó)內(nèi)外廣為運(yùn)用。

1.2 模型條件

以目前比較普遍的由雙向四車道加寬為雙向八車道擴(kuò)建工程為例,根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[3],老路堤頂面寬度一般為26.0 m,單側(cè)新路堤頂面寬度為8.25 m,新老路堤邊坡坡比相同,均為1∶1.5,路堤高度取為4.0 m。路堤及地基土體采用摩爾-庫(kù)侖模型模擬,計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。地下水位線在地表下方1 m處。

表1 路堤和地基土體計(jì)算參數(shù)

假設(shè)老路地基采用排水固結(jié)法處理,由于運(yùn)營(yíng)多年,可不考慮排水板的排水作用。新路地基采用粉噴樁復(fù)合地基法處理,樁徑50 cm,樁長(zhǎng)12 m,按1.3 m×1.3 m正方形布置,樁體布置至老路堤邊坡坡比為1∶0.5坡腳處,樁頂設(shè)置30 cm厚的砂墊層。樁體模量取80 MPa,根據(jù)總剛度等效的原則簡(jiǎn)化為連續(xù)樁墻[4]。新路提進(jìn)行分級(jí)填筑,每填筑0.5 m,固結(jié)30天,直至最后一層填筑完畢,并固結(jié)90天,此時(shí)施工期結(jié)束,施工期總計(jì)300天。

由于路堤結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取一半進(jìn)行建模分析。計(jì)算域?qū)挾热槁返虒挾鹊?倍,模型兩側(cè)邊界約束水平向位移,底部邊界固定,且均為不排水邊界。所建模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 樁體處治范圍的影響

加寬工程施工時(shí),為了擴(kuò)大新路地基的處治范圍,通常需要先對(duì)老路堤邊坡進(jìn)行削坡處理,但同時(shí)削坡使得老路堤邊坡變陡,增大了老路邊坡失穩(wěn)坍塌的危險(xiǎn)性。因此需要了解新路地基的處治范圍對(duì)新老路堤沉降變形的影響程度,這有利于復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文選擇三種削坡坡比進(jìn)行分析,分別為1∶0.5、1∶1.0和1∶1.5,即粉噴樁分別處理至對(duì)應(yīng)坡腳位置。

圖2 地基表面總沉降曲線

圖3 路堤表面工后沉降曲線

由圖2可見(jiàn),新路地基處治范圍越小,即老路堤坡比越緩,由于新路地基總體剛度減小,使得新路地基沉降增大。同時(shí)由于更多的新路堤荷載傳遞擴(kuò)散至老路地基,使得老路地基沉降也有所增大,但增大幅度不如新路地基明顯,這也使得新老路地基不均勻沉降增大。如果不考慮老路堤在新路堤荷載作用下的壓縮變形,可以認(rèn)為老路地基的沉降即是老路堤表面的沉降,可見(jiàn)處治范圍越小,老路面受影響產(chǎn)生的橫坡比改變也越大。

新路地基采用粉噴樁復(fù)合地基法處理,由于地基剛度顯著增大,其沉降較小,并且主要發(fā)生瞬時(shí)沉降,大部分沉降在施工期內(nèi)就已經(jīng)完成。而老路地基受影響,也會(huì)產(chǎn)生一定的超孔隙水壓力,雖然引起的總沉降較小,但由于排水固結(jié)緩慢,大部分沉降在工后才完成,因此可能會(huì)使得新老路堤之間工后出現(xiàn)反坡現(xiàn)象,如圖3所示,如南京繞城高速加寬工程某些斷面就出現(xiàn)了上述現(xiàn)象[4]。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)老路堤中心工后沉降反而比老路地基總沉降大,這是由于施工期較短,老路地基在新路堤荷載作用下來(lái)不及固結(jié)沉降,受擠壓向上隆起所致。并且可以看出,隨著坡比越陡,即處治范圍的增大,新老路堤表面工后沉降以及之間的反向不均勻沉降都有所減小。

圖4 地基表面總沉降曲線

圖5 路堤表面工后沉降曲線

2.2 樁體模量的影響

圖4 為不同樁體模量時(shí)的地基表面總沉降,可見(jiàn)樁體模量越小,新路地基沉降越大,并且由于荷載傳遞擴(kuò)散以及新路地基沉降下拉作用,使得老路地基沉降也略有增大,因此,隨著樁體模量的減小,新老路地基間的不均勻沉降也隨之增大。同時(shí)可以看出,隨著樁體模量的等幅度增大,新路地基沉降減小幅度明顯減小。分析原因,這是因?yàn)楸舅憷?下臥層剛度不是很大,在新路地基總沉降中,有相當(dāng)一部分是由下臥層壓縮變形引起的,而樁體模量的增大對(duì)減小下臥層的壓縮變形影響不大,因此使得新路地基沉降減小幅度明顯減小。這說(shuō)明,盲目的增大樁體剛度并不能起到很好的處理效果。

圖5可見(jiàn),隨著樁體模量的增大,新老路堤表面工后沉降有所減小,但是新老路堤間的反向不均勻沉降卻有所增大,這是因?yàn)闃扼w模量越大,地基剛度越大,新路地基沉降在施工期穩(wěn)定越快,即剩余的工后沉降越小,而老路地基受此影響較小,從而使得工后反向不均勻沉降略有增大。

2.3 樁間距的影響

圖6 地基表面總沉降曲線

圖7 路堤表面工后沉降曲線

圖6 可以看出,樁間距越大,地基剛度越小,使得新路地基沉降有所增大,老路地基沉降受此影響也略有增大,總體上,新老路地基間的不均勻沉降也隨之增大。

至于路堤表面工后沉降曲線,如圖7所示,隨著樁間距的減小,工后沉降有所減小,但新老路堤間的反向不均勻沉降卻略有增大,這同樣是因?yàn)闃堕g距越小,地基剛度越大,新路地基沉降在施工期穩(wěn)定越快,即剩余的工后沉降越小,而老路地基受此影響較小,從而使得工后反向不均勻沉降略有增大。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)擴(kuò)大新路地基的處治范圍,無(wú)論對(duì)控制地基的總沉降還是工后新老路堤沉降以及之間的不均勻沉降都是有利的。

(2)增大樁體剛度對(duì)控制地基總沉降是有利的,但是可能使得工后新老路堤間的不均勻沉降反而增大,并且盲目增大樁體剛度也可能使得地基處理效果提高不大。

(3)同增大樁體剛度相同,減小樁間距對(duì)控制地基總沉降是有利的,但是也可能使得工后新老路堤間的不均勻沉降反而增大。

因此,粉噴樁處理加寬工程新路地基時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況,通過(guò)合理分析,找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

[1]劉志明.沈大高速公路改擴(kuò)建工程技術(shù)論文集[M].北京:人民交通出版社 ,2005.

[2]顧建武,候輝.滬寧高速公路擴(kuò)建工程典型軟基特性及處治對(duì)策研究[J].土工基礎(chǔ),2005,19(3):12-15.

[3]JTG B01-2003,公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]陳磊,劉漢龍,陳永輝.高速公路拼寬工程地基處理效果的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2006,27(11):2066-2070.