塑料排水板超載預壓處理下高速公路軟基沉降的數(shù)值模擬

曾歡

（同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

塑料排水板超載預壓處理下高速公路軟基沉降的數(shù)值模擬

曾歡

（同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

通過對某核電站進廠公路塑料排水板超載預壓處理路段調(diào)研工程地質(zhì)條件，得到土體參數(shù)，采用等價豎墻法建立有限元模型，分析軟基沉降過程中路堤有效應(yīng)力、超孔隙水壓力和沉降的變化情況。結(jié)果顯示在填土開始至達到設(shè)計填土高度過程中，土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力增大。超靜孔隙水壓力的增大會導致路基土體的有效應(yīng)力減小，進而降低土體的抗剪強度，影響路基穩(wěn)定。因此路基填筑過程中應(yīng)加強沉降以及側(cè)向水平位移的監(jiān)測，確保路基的穩(wěn)定。同時通過現(xiàn)場沉降監(jiān)測的結(jié)果驗證了有限元模型的合理性，證實等價豎墻法用于解決塑料排水板超載預壓處理下公路軟基沉降模擬的合理性。

軟土地基；塑料排水板超載預壓處理；有限元；沉降變形

0　引言

道路在運營期間的不均勻沉降，無論對路基、路面、行車速度還是對行車安全都會造成很大的危害。在軟土路基的處理應(yīng)用中，由于塑料排水板具有施工方便、處理效果良好以及經(jīng)濟性比較好，在高等級道路的建設(shè)中被廣泛的采用[1]。塑料排水板處理屬于排水固結(jié)法軟基處理方式的一種，排水固結(jié)工程是治本的軟土工程,適用于大面積的軟土加固[2]。排水固結(jié)法的機理是通過預壓荷載，使被加固土體中的孔隙水排出，有效應(yīng)力增加，土中孔隙體積減小，密度加大，土體強度得到提高，地基承載力也得到提高。目前對塑料排水板處理方式最終沉降量的計算和預測，還沒有較為有效的方法，傳統(tǒng)設(shè)計理論偏差較大，仍然需要研究。筆者以江蘇地區(qū)某市新建主干路路堤試驗塑料排水板超載預壓處理的典型斷面為例，建立有限元模型，并將計算沉降量與實測結(jié)果對比分析。

1　工程概況和地質(zhì)條件

該道路是福建地區(qū)某核電站進廠公路，是連接該核電站與沈海高速公路的主要通道。擬建場地屬濱海相丘陵剝蝕地貌,地勢平緩,養(yǎng)殖漁塘密布,氣候溫暖、潮濕、多雨,年平均降水量2 000 mm左右,地表水主要為海水，受海水漲落影響較大。該公路計算行車速度80 km，路基寬度為12 m，路基設(shè)計平均填筑高度為4.0 m。地區(qū)軟土基本特性為高含水量、高壓縮性、低強度、低滲透性。主要壓縮層為淤泥，廣泛分布于場地上部，灰色,淺黃色,青灰色,飽和,流塑,松散,夾薄層中砂土,含腐殖質(zhì)及少量貝殼碎片。淤泥質(zhì)土是第二層軟弱土層，分布于場地上部，灰色，飽和，軟塑，粘性強，含腐殖質(zhì)，偶見貝殼碎片。

2　有限元模型建立

2.1砂井平面應(yīng)變等效

目前已有的排水固結(jié)二維平面問題的計算模型中，砂井排水固結(jié)法處理軟基的計算較為成熟。通常情況下豎向排水板可以簡化成等效的砂墻進行計算，因此本文中選用劉加才提出的等價砂墻法[3]來計算排水板路基問題。等效砂墻法能確保轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變有限元分析的準確性;轉(zhuǎn)換公式簡單,在沒有降低理論精度的情況下不需考慮豎墻涂抹壁,極大地方便了平面應(yīng)變有限元網(wǎng)格的劃分和計算。

文中選取的計算斷面的路基處理方式是塑料排水板（100 mm×4.5 mm），間距d=1.4 m，按正三角形布置打設(shè)深度9 m。故等效砂井直徑dw=2（a+b）/π =67 mm，有效影響直徑de=1.05 d=1.47 m，井徑比n=de/dw=21.94。豎墻作用長度為，寬度為2Bw，根據(jù)豎墻和豎井作用面積相等原則可得πγw=2Bw×2，Bw=1.36 mm；B=n2Bw=0.76 mm，khp=0.15 kh。計算時對砂墻間距作了放大，取Bw=0.1 m，B=3 m，則khp=2.09 kh。

2.2模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

路堤與路基的有限元網(wǎng)格劃分見圖1，各土層有限元計算參數(shù)見表1。

圖1　路堤與路基的有限元網(wǎng)格劃分

表1　計算斷面路基土體模擬模型及相應(yīng)土的參數(shù)

圖2　計算斷面地基

由圖2（a）可以看出，水位線以下路基的初始孔壓力基本隨著土層深度的增加而逐步增大。同一深度下，地基中部初始孔壓力比兩側(cè)略大。整個地基中的初始孔壓力介于0～298.92 kN/m2之間，最大值位于所研究地基中部最深處。

由圖2（b）可以看出，地基的初始應(yīng)力基本隨著土層深度的增加而增加，道路中部地基土初始孔壓力比兩側(cè)略大。整個地基中的初始應(yīng)力分布介于0～585.29 kN/m2之間，最大值位于所研究地基中部最深處。

3　模擬結(jié)果分析

應(yīng)用PLAXIS軟件對計算斷面超載預壓狀態(tài)進行有限元模擬并進行計算。當填土達到設(shè)計填土時，路基和路堤中的有效應(yīng)力和超靜孔隙水壓力分布見圖3和圖4。

圖3　達到設(shè)計填筑高度時路基及路堤有效應(yīng)力分布圖

圖4　達到設(shè)計填筑高度時路基及路堤超靜孔隙水壓力分布圖

由圖3可以看出，在填土達到設(shè)計標高時，路基自身有效應(yīng)力比較小，路基下方的地基土的有效應(yīng)力有所增加但是變化很小。對于遠離路基的地基土，填土的影響則更小，幾乎可以忽略不計。

路基填筑初期，地基土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力急劇增加，越靠近路基中心，這種現(xiàn)象越是明顯。由于加載時間較短，由填土引起的超靜孔隙水壓力根本來不及消散，砂墻在短時間內(nèi)也不能發(fā)揮作用，因此從圖4也可以看出砂墻周圍一定范圍內(nèi)超靜孔隙水壓力并無變化。

綜合圖3、圖4和圖5可以得出，在填土開始至達到設(shè)計填土高度過程中，土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力增大，路基土體的有效應(yīng)力減小，而土體的抗剪強度也隨之減??；之后隨著時間推移，超靜孔隙水壓力逐步消散，有效應(yīng)力逐漸增加，路基沉降趨于穩(wěn)定，地基強度不斷提高。土體抗剪強度是路基穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，因此路基填筑過程中的應(yīng)加強沉降以及側(cè)向水平位移的監(jiān)測，確保路基的穩(wěn)定。

圖5　路基土體內(nèi)超靜孔隙水壓力隨時間變化圖

根據(jù)有限元計算結(jié)果繪制了路基沉降隨荷載變化曲線，見圖6。從圖6可以看出，有限元模擬曲線和實測沉降曲線基本一致，證實了通過有限元模型所計算的沉降變形規(guī)律的有效性。

圖6　有限元模擬沉降量與荷載關(guān)系曲線

4　結(jié)　論

（1）相較于路基沉降計算的傳統(tǒng)理論方法，有限單元法可以用來解決非線性、非均質(zhì)和復雜邊界條件問題，更好的滿足沉降預測的實際需要。因此有限元法可以用于塑料排水板超載預壓處理下高速公路軟基沉降的數(shù)值模擬和計算。

（2）塑料排水板處理可以看做是等效砂墻，而應(yīng)用等價豎墻法可以方便準確地計算塑料排水板處理下的路基沉降計算問題。

（3）在填土開始至達到設(shè)計填土高度過程中，土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力增大，路基土體的有效應(yīng)力減小，而土體的抗剪強度也隨之減小，并影響路基穩(wěn)定。因此路基填筑過程中應(yīng)加強沉降以及側(cè)向水平位移的監(jiān)測，確保路基的穩(wěn)定。

（4）路基在達到填土高度后隨著時間的增長，超靜孔隙水壓力逐漸消散，土顆粒間孔隙減小，沉降逐漸消除，地基強度不斷提高。

[1]龔曉南.地基處理手冊(第三版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[2]楊順安,馮曉臘,張聰辰.軟土理論與工程[M].北京:地質(zhì)出版社, 2000.

[3]劉加才,施建勇.一種豎井地基豎墻化等效計算方法[J].巖土力學,2004,25(11):1782-1785.

U416.1

B

1009-7716（2016）03-0043-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.012

2015-11-11

曾歡（1984-），女，江西九江人，工程師，從事公路、城市道路設(shè)計工作。