高壓旋噴樁連續(xù)墻應(yīng)用于高速公路擴(kuò)建工程軟基處治的數(shù)值分析

孫曉立

(廣東省南粵交通仁博高速公路管理中心,廣州 510420）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展, 我國高速公路的建設(shè)十分迅猛, 通車?yán)锍桃呀?萬Km。已經(jīng)建成使用的高速公路中, 由于受建設(shè)時社會經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)水平和建設(shè)思想的制約, 有相當(dāng)一部分已不能適應(yīng)交通量增長和社會發(fā)展的要求, 不得不進(jìn)行拓寬建設(shè), 高速公路的改擴(kuò)建工程將是我國本世紀(jì)初公路建設(shè)所面臨的非常重要和必須解決的問題[1]。

加寬工程與普通高速公路的區(qū)別在于新老路堤的相互不利影響，新建公路中的問題可以在施工中加以解決，但擴(kuò)建工程中加寬部分路堤作為邊載形式引起既有道路產(chǎn)生的附加沉降和新老路基之間的不均勻沉降，只有在理論分析的基礎(chǔ)上尋找經(jīng)濟(jì)、實用的工程加固措施，使新老路基成為一個良好的整體，以確保在新老路堤拼接過程中使新老路堤的不均勻沉降控制在可以接受的范圍之內(nèi)[2～4]。

本文首先以廣東某高速公路軟基路段為工程案例，通過數(shù)值分析軟件PLAXIS分析軟基在施工過程和工后的沉降，通過與實測結(jié)果進(jìn)行對比驗證數(shù)值模型的正確性。然后，假定對揭普高速公路進(jìn)行加寬，分析在老路基邊沿設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻對減少擴(kuò)建時邊載對既有公路地基的影響以及相關(guān)參數(shù)分析。最后，通過理論分析成果評價該軟基處理方法的有效性和工程應(yīng)用前景。

2 工程案例及數(shù)值模型

某高速公路是廣東“十五”期間的重點建設(shè)項目。該線路軟土地基分布廣泛,軟土具有物理力學(xué)性質(zhì)差,上覆硬殼層厚度薄(一般小于1.0 m)、強(qiáng)度低、孔隙比大、壓縮性高的特點。軟基處理采用堆載預(yù)壓排水固結(jié)法,袋裝砂井打設(shè)間距1.0 m,直徑70 mm,梅花形布置,打設(shè)深度10m。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 路基各土層的計算參數(shù)

表2 路堤加載歷時

圖1 設(shè)置連續(xù)墻的軟土路堤數(shù)值模型

該高速公路的路堤頂寬26m，路堤填筑高度為5.5m，坡度為1:1.5，路堤底部寬度為42.5m。該高速公路進(jìn)行既有道路的兩側(cè)擴(kuò)建，兩邊擴(kuò)建寬度都為8.0m。道路加寬前首先對老路邊坡進(jìn)行削坡，將老路邊坡的坡度由原來1:1.5變?yōu)?:0.5，然后進(jìn)行加寬路堤的施工。路堤加寬后邊坡的坡度為1:1.5。擴(kuò)建工程路堤也采用排水固結(jié)法，路堤填土假定與原路堤填土物理力學(xué)性狀相同，施工過程見表2。

由于路堤具有對稱性，有限元計算中取路堤的一半建立有限元模型。有限元計算范圍為：地面下深度26m，水平方向100m。地基和路堤土均采用理想彈塑性模型,各參數(shù)的具體取值見表1。邊界條件:左邊界為對稱軸,豎直向自由,水平向約束,不排水;下邊界為豎直向和水平向均固定,排水;右邊界為豎直向自由,水平向固定,不排水;上邊界為豎直向和水平向均自由,排水。

對砂井進(jìn)行單元劃分會給有限元計算帶來較大的難度，本文采用Chai.J.C提出的等效豎向滲透系數(shù)法,將砂井地基等效轉(zhuǎn)化成滲透系數(shù)較大的天然地基進(jìn)行計算，等效豎向滲透系數(shù)Kve可見表1最后一列[5]。本文通過數(shù)值分析軟件PLAXIS進(jìn)行加寬工程的數(shù)值分析，采用板單元模擬高壓旋噴樁連續(xù)墻，高壓旋噴樁連續(xù)墻寬度為0.7m。假定連續(xù)墻為線彈性體，彈性模量為100MPa，泊松比為0.2,容重為10kN/m/m。高壓旋噴樁連續(xù)墻位于離有限元模型中心線15.75米處（即削坡后的老路堤坡角）,攪拌樁和土體之間設(shè)置界面單元。擴(kuò)建高速公路數(shù)值模型詳見圖1。該路堤施工采用薄層輪加法，本文提出的路堤施工過程盡可能模擬現(xiàn)場實際施工情況，具體施工過程見表2。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 數(shù)值模型結(jié)果的驗證

為了驗證數(shù)值模型和土體物理力學(xué)參數(shù)的正確性，本節(jié)將通過數(shù)值模型計算該高速公路施工完工時的沉降－時間曲線，并將理論計算結(jié)果與路堤施工完后的實測結(jié)果進(jìn)行比較。路堤中心地面理論和實測沉降-時間曲線可見圖2。由圖2可知,本文的理論計算曲線與實測曲線較為接近，比較結(jié)果驗證了數(shù)值模型的正確性，為后續(xù)擴(kuò)建公路的理論分析奠定基礎(chǔ)。

圖2 路基中心的實測和計算豎向位移的比較

3.2 設(shè)置旋噴樁連續(xù)墻對擴(kuò)建公路的影響分析

根據(jù)表2的加載過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，圖3為公路加寬后路堤頂部豎向位移橫向分布曲線，表3為加寬工程中是否設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻對老路橫坡比變化率的影響。由圖3和表3可知：

（1）公路加寬會導(dǎo)致老路路肩附近地基產(chǎn)生較大的附加沉降，隨著離路肩距離的增大而減少，同時使得老路中心部分地基會產(chǎn)生向上的位移。隨著工后時間不斷增長，老路路肩附近的沉降繼續(xù)增大，而老路中心部分向上的位移將減少。

（2）在老路坡角處設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻可以減少新路堤加載對老路堤的影響，設(shè)置連續(xù)墻后，老路路肩附近地基的沉降較少，并且減緩了老路中心部分地基的上拱。而且擴(kuò)建工程工后十年內(nèi)老路地基的變形較少，這個現(xiàn)象說明設(shè)置連續(xù)墻可以較好的避免拓寬邊載對老路基的影響。

圖3 路堤頂部豎向位移橫向分布

表3 老路橫坡比變化率

（3）公路加寬會引起老路橫坡比發(fā)生變化，從而導(dǎo)致路面發(fā)生開裂。加寬工程完成后，未設(shè)連續(xù)墻時, 加寬使得老路橫坡比變化2.977%左右, 設(shè)置連續(xù)墻后橫坡比變化為1.238%。工后十年后，未設(shè)高壓旋噴樁連續(xù)墻時, 老路橫坡比變化3.402%左右, 設(shè)置連續(xù)墻為0.973 %。因此，設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻可以有效的減緩老路橫坡比的變化。

4 結(jié)論

（1）本文以廣東某高速公路軟基路段為工程案例，利用數(shù)值分析軟件PLAXIS建立軟土路基的數(shù)值模型，各層土體和路堤采用莫爾－庫侖本構(gòu)模型，并將砂井地基等效為豎向滲透系數(shù)增大的地基。數(shù)值分析結(jié)果表明，該數(shù)值模型可以較好地預(yù)測軟土地基的變形，驗證了數(shù)值模型的可靠性，可為后續(xù)公路擴(kuò)建的理論研究奠定基礎(chǔ)。

（2）公路加寬會導(dǎo)致老路路肩附近地基產(chǎn)生較大的附加沉降，隨著離路肩距離的增大而減少，同時使得老路中心部分地基會產(chǎn)生向上的位移，新老路堤的不均勻變形會導(dǎo)致路面產(chǎn)生病害。研究結(jié)果表明設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻對新老路豎向沉降改善作用明顯，而且可以減緩老路中心的上抬。

（3）未設(shè)高壓旋噴樁連續(xù)墻時, 加寬使得老路橫坡比變化2.98%左右, 設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻后為1.24%。工后十年后，未設(shè)高壓旋噴樁連續(xù)墻時, 老路橫坡比變化3.40%左右, 設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻為0.97%。因此，設(shè)置高壓旋噴樁連續(xù)墻可以有效的減緩老路橫坡比的變化。

[1]郭志邊.軟土地區(qū)高速公路拼接段路基的設(shè)計及沉降規(guī)律分析[D].南京:河海大學(xué)交通學(xué)院,1999.

[2]高翔,劉松玉，石名磊. 軟土地基上高速公路路基擴(kuò)建加寬中的關(guān)鍵問題[J].公路交通科技,2004,21(02):29-33.

[3]錢勁松,孫力彤.老路拓寬差異沉降計算的研究[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,22(04):91-94.

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[5]Chai J C, Shen S L,Miurra N, etal. A simple method of modeling PVD improved subsoil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2001, 127 (11):965-972.