樁承式加筋路堤沉降變形特性研究

郭香紅

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

0 引言

樁承式加筋墊層法是在豎向采用樁體、水平向采用加筋復(fù)合墊層來(lái)聯(lián)合對(duì)地基進(jìn)行處理從而承受上部路堤傳來(lái)的荷載的方法。20世紀(jì)80年代起樁承式加筋墊層法就在國(guó)外研究和應(yīng)用[1-3]。樁承式加筋墊層法處理軟土地基時(shí)，承載力高、沉降小、造價(jià)低，適合于公路、鐵路、堤壩等柔性荷載下的地基處理，是一種在交通工程和水利工程中非常有應(yīng)用前景的地基處理方法。在墊層中鋪設(shè)1～2層加筋材料，可以獲得較好的技術(shù)效果和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

但是，目前樁承式加筋墊層法在工程中的應(yīng)用尚處于不成熟階段，設(shè)計(jì)上主要依靠經(jīng)驗(yàn)[4]，存在過(guò)大的安全儲(chǔ)備或過(guò)大的工后沉降等工程質(zhì)量隱患。

本文通過(guò)有限差分軟件FLAC3D對(duì)樁端、上部墊層和格柵部位進(jìn)行局部分析，來(lái)研究樁承式加筋路堤沉降變形特性，并對(duì)加筋墊層中影響路堤沉降的因素進(jìn)行了參數(shù)分析，就墊層厚度、墊層抗剪強(qiáng)度、墊層彈性模量、格柵抗拉剛度對(duì)樁承式變剛度復(fù)合加筋墊層路堤沉降規(guī)律的影響、樁承式加筋路堤沉降變形進(jìn)行了研究。

1 數(shù)值模擬

為了能夠反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，數(shù)值計(jì)算模型尺寸與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際幾何條件保持一致。由于模型的對(duì)稱性，分析中選擇了路堤的半個(gè)橫斷面。軟土厚度為12 m，壓縮模量為4.0 MPa，半幅寬度為16.5 m，路堤高度為4.5 m，壓縮模量為25 MPa，其中墊層0.5 m，路堤邊坡的坡率為1∶1.5路堤地基土范圍為路堤坡腳向外延伸30 m。模型中共6根樁，樁距3 m，樁徑1 m，樁體打入堅(jiān)硬的基巖。從路堤左側(cè)到路堤中心分別為樁編號(hào)1～6。模型示意圖如圖1所示。

圖1 模型示意圖

圖中：B為路面寬度；n為路堤邊坡坡率；d為樁徑；bn為樁凈間距；h2為軟土地基高度；h3為基巖厚度；s為樁埋入基巖的長(zhǎng)度(嵌巖深度)；a為格柵間距；p為車輛荷載。

1.1 樁端沉降計(jì)算

靠近路堤中心的4號(hào)樁沉降較能反應(yīng)出路堤整體的變形，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行分析，如圖2所示。分析了樁4隨著計(jì)算步數(shù)的增加，樁端沉降的變化。從圖2可以看出，隨著步數(shù)增加，沉降累加，最后都在-2.00e-03左右穩(wěn)定下來(lái)。

圖2 4號(hào)樁樁端沉降圖

1.2 墊層沉降計(jì)算

同時(shí)，分析了樁4、樁5、樁6上部墊層的變形，如圖3～圖5所示。

圖3 樁4墊層沉降圖

圖4 樁5墊層沉降圖

圖5 樁6墊層沉降圖

分別計(jì)算了樁4、樁5和樁6隨著計(jì)算步數(shù)的增加墊層沉降的變化。從中可以看出，隨著步數(shù)增加，沉降累加，最后都穩(wěn)定在-0.002左右。距路堤中心越遠(yuǎn)，樁端沉降越小，而樁5的樁端沉降最大。因?yàn)樵诮＿^(guò)程中，固定了樁6右邊的土層，所以當(dāng)均布荷載施加時(shí)，擠壓作用會(huì)對(duì)樁6的沉降產(chǎn)生一定的抵消。

2 參數(shù)分析

為了研究墊層厚度、墊層材料、格柵抗拉剛度對(duì)樁承式變剛度復(fù)合加筋墊層路堤沉降的影響，建立FLAC3D路堤模型，模擬不同工況條件下的路堤沉降變形。

2.1 墊層厚度對(duì)路堤沉降的影響

為了考慮墊層厚度對(duì)沉降的影響，墊層厚度分別取0.5 m、0.4 m、0.6 m進(jìn)行計(jì)算。

如圖6所示，考慮墊層厚度對(duì)樁端沉降曲線的影響，可以看出墊層厚度對(duì)于樁端沉降有減小的作用。在一定范圍內(nèi)，墊層厚度越小，路堤的沉降越小，墊層厚度宜取0.5 m。而距離路堤中心越遠(yuǎn)，墊層厚度對(duì)樁端沉降的影響越大。

圖6 墊層厚度對(duì)墊層沉降的影響圖

2.2 墊層彈性模量對(duì)路堤沉降的影響

為了考慮墊層彈性模量對(duì)沉降的影響時(shí)，墊層彈性模量分別取 10 MPa、15 MPa、20 MPa、26 MPa、30 MPa進(jìn)行計(jì)算。

彈性模量對(duì)樁頂沉降的影響如圖7所示，當(dāng)土的彈性模量越大，且其增加趨勢(shì)均減小，即當(dāng)土模量到達(dá)一定范圍時(shí)，其變化不大。當(dāng)彈性模量與路堤填土相同時(shí)，沉降最大。

圖7 彈性模量對(duì)樁頂沉降的影響

2.3 格柵抗拉剛度對(duì)路堤沉降的影響

在不同格柵抗拉剛度下，路堤樁頂面處樁間土豎向位移的變化如圖8所示，因計(jì)算發(fā)現(xiàn)格柵抗拉剛度變化對(duì)此影響比較小，故僅給出格柵抗拉剛度為2×109Pa時(shí)與模量為2×105Pa時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可知格柵抗拉剛度對(duì)于樁間土豎向位移的影響較小。

圖8 抗拉剛度對(duì)樁頂沉降的影響

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合樁承式加筋墊層法的已有理論研究結(jié)果，通過(guò)有限差分軟件FLAC3D對(duì)樁承式加筋路堤沉降變形進(jìn)行了研究，并分析了墊層和格柵對(duì)路堤沉降的影響。得到以下結(jié)論：

a）樁土間的差異沉降比較大。隨著距路堤中心越遠(yuǎn)，樁土間的差異沉降也越大。

b）墊層厚度對(duì)于墊層沉降有減小的作用。墊層的彈性模量越小，沉降越大。

c）格柵模量變化對(duì)樁承式加筋路堤影響比較小，格柵強(qiáng)度對(duì)樁間土豎向位移的影響較小。