基于極限變形模量的高速公路地基處治研究

李婷婷

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

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基于極限變形模量的高速公路地基處治研究

李婷婷

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

為了研究高速公路路堤地基處治標(biāo)準(zhǔn)，合理確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，文章以變形模量為主要控制參數(shù)，以路表變形為控制指標(biāo)，通過建立路表工后沉降與路堤地基變形模量關(guān)系，確立了以極限變形模量作為高速公路路堤地基處治標(biāo)準(zhǔn)的方法，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地提出了能夠表征柔性基礎(chǔ)特性的高速公路路堤地基的設(shè)計(jì)思路。

路基；地基處治；有限元；極限變形模量；沉降量

0　引言

高速公路填土路基主要由路堤填土和地基兩大部分組成，由于路堤填筑人為控制，其穩(wěn)定性相對可靠，而地基部分受其自身特性、路堤填料及行車荷載等多因素的影響，其穩(wěn)定性和變形對高速公路的穩(wěn)定性影響更大；文獻(xiàn)表明，一般路基工后沉降的80%～90%來自地基變形[1]。因此，高速公路路堤地基的設(shè)計(jì)尤為重要。然而，目前我國僅有針對軟土路基地基的設(shè)計(jì)規(guī)范，對一般路基地基的設(shè)計(jì)多參照建筑工程相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，不夠精準(zhǔn)[2]；國內(nèi)外學(xué)者針對這方面的研究也主要局限于某一種特定的土質(zhì)或某一工段，缺乏普遍適用性[3][4]。

考慮到路表沉降量是國內(nèi)外普遍采用的路基變形控制指標(biāo)，該指標(biāo)在相關(guān)規(guī)范中已有規(guī)定，且路表沉降主要由地基沉降引起的。因而，本文采用有限元和正交

試驗(yàn)方法進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算不同因素下一般路堤路基路表沉降量，并計(jì)算了相應(yīng)的工后沉降量，然后通過回歸計(jì)算建立了路堤地基變形模量與路表工后沉降及變形敏感參數(shù)的關(guān)系，與路表工后變形控制指標(biāo)相對應(yīng)的地基變形模量被定義為極限變形模量，該極限變形模量被作為地基綜合控制標(biāo)準(zhǔn)，最后提出了以極限地基變形模量為設(shè)計(jì)指標(biāo)的設(shè)計(jì)思路。

1　高速公路路基建模分析及計(jì)算

由于本文研究的重點(diǎn)和思路是通過路表工后變形反算地基變形模量，并建立地基變形模量與路表工后變形、相關(guān)變形敏感參數(shù)的關(guān)系式，最終確立能表征地基綜合強(qiáng)度及其柔性特征的變形模量作為地基設(shè)計(jì)指標(biāo)。為此，本節(jié)首先搜集和整理一般路基的設(shè)計(jì)參數(shù)，確立參數(shù)及范圍，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表格；然后進(jìn)行建模和有限元計(jì)算，計(jì)算出路表的總沉降；再根據(jù)路表工后沉降與總沉降、路基填土高度的關(guān)系，計(jì)算出相應(yīng)的路表工后沉降，為下一節(jié)建立與地基變形模量的關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1建立模型[5]

將路基看作橫向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，對其半幅進(jìn)行建模計(jì)算。根據(jù)相關(guān)資料中路基對地基影響深度的研究，對地基深度按照路堤填料高度的8倍取值；考慮計(jì)算結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在地基底部和右部分界部分設(shè)置為不可變形約束，在路基中間分界部位設(shè)置為水平約束。具體見圖1。

1.2路基參數(shù)及有限元計(jì)算

由于該設(shè)計(jì)方法主要針對一般路基進(jìn)行研究，因此主要通過對國內(nèi)一般路基參數(shù)進(jìn)行搜集和分析，根據(jù)各參數(shù)變化情況，確立了固定參數(shù)和范圍參數(shù)，然后進(jìn)行正交試驗(yàn)，并用有限元分析法分別計(jì)算各組數(shù)據(jù)。

1.2.1路基參數(shù)

根據(jù)搜集和分析的一般路基數(shù)據(jù)，按照國內(nèi)大概率使用情況對邊坡坡度和路基寬度分別設(shè)置為固定值1∶1.5和26 m，按照各參數(shù)對變形的影響敏感性分析結(jié)果，對變形敏感性較小的地基粘聚力和內(nèi)摩擦角分別取為固定值35 kPa和30°，其他參數(shù)根據(jù)一般路基情況確定取值范圍。各參數(shù)見表1、表2。

圖1　路堤結(jié)構(gòu)及建模示意圖

名稱邊坡坡度寬度B(m)填筑高度H(m)回彈模量E0(MPa)重度γ(kN/m3)變形模量E(MPa)取值1∶1.5262～820～7014～268～30

表2　b地基參數(shù)數(shù)值表

1.2.2計(jì)算結(jié)果

根據(jù)參數(shù)取值設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，并進(jìn)行有限元計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3　正交試驗(yàn)及模型計(jì)算結(jié)果匯總表

1.3路表工后沉降量計(jì)算

上節(jié)計(jì)算得出了不同參數(shù)組合情況下路表的總沉降，本節(jié)通過建立總沉降與工期沉降量的關(guān)系，計(jì)算出相應(yīng)的路表工后沉降量見表4及圖2。根據(jù)相關(guān)資料[6][7]，建立起工期沉降量與總沉降量的關(guān)系式，以計(jì)算工后沉降，見式(1)。

表4　不同填土高度下工期沉降量與總沉降數(shù)據(jù)表

圖2　填土高度比與工期沉降比例關(guān)系曲線圖

(1)

式中：Y——工期沉降占總沉降的比例(%)；

X——填土高度(m)。

根據(jù)有限元計(jì)算出的路表總變形以及填土高度與工期沉降比例關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的路表工后變形，結(jié)果見表5。

表5　工后變形計(jì)算結(jié)果數(shù)值表

2　地基極限變形模量關(guān)系式

對前述正交試驗(yàn)表中的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)以及對應(yīng)計(jì)算的路表工后變形數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析軟件回歸分析，建立地基變形模量與路表工后變形、路堤填土高度、填土彈性模量及填土重度等參數(shù)的數(shù)據(jù)關(guān)系，工后變形為允許值時(shí)對應(yīng)的為極限地基變形模量Ej。

lnEj=-0.528+1.263lnH-0.082lnE0+1.036lnγ

-1.013lnSl

(2)

式中：Ej——地基極限變形模量(MPa)；

H——填土高度(m)；

E0——路基填筑材料彈性模量(MPa)；

γ——填筑材料重度(kN/m3)；

Sl——工后容許變形(cm)。

本節(jié)建立了地基變形模量與填土高度、填料種類、路表工后變形的關(guān)系式，利用各相關(guān)參數(shù)與地基模量的數(shù)學(xué)關(guān)系，在路基設(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下，可以便捷地計(jì)算出地基容許變形模量，然后根據(jù)對地基變形模量的原位測試，判斷地基的穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求，從而為確定處治措施提供依據(jù)。

3　地基處治思路

根據(jù)建立的地基極限變形模量與地基相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系，以及規(guī)范對路表工后變形的要求判別出公路地基的穩(wěn)定性是否滿足要求，當(dāng)不滿足要求時(shí)，需要對地基進(jìn)行處治，而處治的思路是將原始地基進(jìn)行加固，以確保其綜合模量達(dá)到極限變形模量。

3.1處治參數(shù)

(1)地基容許模量E

E=Ej

(3)

式中：E——地基容許模量；

Ej——基于路表工后絕對沉降標(biāo)準(zhǔn)極限地基土變形模量(MPa)。

(2)處治層模量Ec

由處治方式確定，可根據(jù)設(shè)計(jì)方案獲取或計(jì)算。

(3)處治深度h[8]

基于變形等效原則，采用上節(jié)計(jì)算數(shù)據(jù)和方法，建立地基綜合變形模量Ed與地基處理深度d、處治層模量E1、未處治層模量E2關(guān)系式，確定處治深度h。如圖3和表6所示。

圖3　綜合模量計(jì)算參數(shù)圖

序號(hào)處治層厚度(m)處治層模量(MPa)下層原狀地基變形模量(MPa)綜合模量(MPa)11487.5621101413.7531162019.7941303030.00534149.75631088.2973163026.1083302021.20954209.14105103018.701151689.45125301416.741374307.94147102013.87157161414.7816730812.20

建立處治參數(shù)關(guān)系式為：

lnEd=0.345 5-0.142 27 lnh+0.405 33 lnEc+0.516 63 lnEx

(4)

式中：Ed——地基綜合變形模量(MPa)；

h——地基處治深度(m)；

Ec——處治層模量(MPa)；

Ex——下層原狀地基模量(MPa)。

在地基綜合模量Ed與容許模量E相等時(shí)，可計(jì)算出地基處治深度h。

3.2設(shè)計(jì)流程

高速公路路堤地基設(shè)計(jì)受地基處治方案等多種因素影響，按照極限模量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，主要設(shè)計(jì)流程如下：

(1)確定路表變形標(biāo)準(zhǔn)；

(2)計(jì)算地基設(shè)計(jì)模量；

(3)測試原地基的變形模量，并與設(shè)計(jì)模量比較，若不滿足設(shè)計(jì)要求則需要進(jìn)行下一步；

(4)從經(jīng)濟(jì)、工期等多角度考慮，確定地基處治方案；

(5)根據(jù)處治方案，確定處理層變形模量；

(6)根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算地基處治深度。

4　結(jié)語

(1)路表工后變形是反映高速公路路基穩(wěn)定性的直觀參數(shù)，也是最易于獲取的路基變形控制指標(biāo)之一，本文基于此，以路表變形為控制指標(biāo)反算地基變形模量，并建立相關(guān)計(jì)算式，提出了以極限變形模量為控制指標(biāo)的地基處治標(biāo)準(zhǔn)。

(2)針對需要處治的地基，以等效變形為原則，建立了地基處治模量計(jì)算關(guān)系式，提出了地基處治深度的計(jì)算思路。

(3)基于極限變形模量提出了高速公路路堤地基處治思路。

(4)在模型的建立和參數(shù)的選取方面尚不足以反映土體的復(fù)雜特性，下一步需要深入考慮土體的本構(gòu)關(guān)系和不同區(qū)域的土體特性等方面進(jìn)行研究。

[1]高力俠.山區(qū)高速公路差異沉降控制技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2004.

[2]GB 5007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]辛建麗.黃土地區(qū)公路地基承載力驗(yàn)算方法研究[D].西安：長安大學(xué)公路學(xué)院，2004.

[4]支喜蘭.黃土地區(qū)公路路基地基承載力評價(jià)方法研究[D].西安：長安大學(xué)公路學(xué)院，2005.

[5]王靖濤.建立巖土本構(gòu)模型的數(shù)值方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：城市科學(xué)版：2002，19(1)：42-47.

[6]劉吉福.沉降速率與剩余沉降的關(guān)系[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，35(1)：193-198.

[7]周全能.軟土路基后期沉降推算方法及誤差分析[J].巖土力學(xué)，2007，28(3)：512-516.

[8]閆強(qiáng).高速公路路堤地基處治標(biāo)準(zhǔn)研究[D].西安：長安大學(xué)公路學(xué)院，2011.

Study on Expressway Foundation Treatment Based on Limit Deformation Modu-lus

LI Ting-ting

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to study the expressway embankment foundation treatment standard and to reasona-bly determine the relevant design parameters，this article took the deformation modulus as main control parameter，with road surface deformation as control index，and through establishing the relationship between road surface post-work settlement and embankment foundation deformation modulus，it es-ta-blished the method with limit deformation modulus as expressway embankment foundation treatment standard，and then on this basis，it systematically proposed the expressway embankment foundation design concept which can characterize the basic flexible features.

Subgrade；Foundation treatment；Finite element；Limit deformation modulus；Settlement

U412.36+6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.005

1673-4874(2016)05-0017-04

2016-04-29

李婷婷(1981—)，工程師，主要從事公路工程勘察設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理工作。