中低壓縮性土地基樁承式加筋路堤時效性分析

丁烈梅，郭超祥

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路工程系，山西 太原 030609；2.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理系，山西 太原 030609)

中低壓縮性土地基樁承式加筋路堤時效性分析

丁烈梅1，郭超祥2

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路工程系，山西 太原 030609；2.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理系，山西 太原 030609)

以某城際鐵路為背景，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維流固耦合模型，對中低壓縮性土地基樁承式加筋路堤的時效性進行對比分析，重點探討了不加固和樁承式加筋兩種工況下地基中超孔隙水壓力、地基表面中心沉降和路堤坡腳水平位移隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：采用樁承式加筋路堤可以有效控制中低壓縮性土地基的路堤填筑施工變形和工后變形，防止地基在路堤填土荷載下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

道路工程；中低壓縮性土；樁承式加筋路堤；時效性；超孔隙水壓力；工后變形

0 引 言

樁承式加筋路堤具有施工速度快、沉降和不均勻沉降小、穩(wěn)定性高和有效控制工后沉降等優(yōu)點[1-2]，近年來在高速公路和鐵路工程中得到了廣泛應(yīng)用。樁承式加筋路堤工作機理復(fù)雜，影響因素眾多，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了許多研究[3-4]。樁承式加筋路堤的工作性狀不僅與其組成有關(guān)，還與時間相關(guān)：路堤填筑過程中，地基中的超孔隙水壓力逐漸增大，填筑完成后，隨時間延長，超孔隙水壓力逐漸消散，地基土發(fā)生固結(jié)變形，樁承式加筋路堤的工作性狀也隨之改變。

為研究樁承式加筋路堤的時效性，已有學(xué)者采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，建立數(shù)值模型進行了研究。J. HAN等[3]利用有限元軟件分析了路堤填土高度、筋材抗拉模量和樁體模量對樁承式加筋路堤受力體系的影響；芮瑞等[5]基于現(xiàn)場試驗建立了三維流固耦合模型，對樁承式加筋路堤和樁承式路堤的工作性狀進行了對比分析；曹衛(wèi)平等[6]建立了能考慮路堤填筑過程與地基土固結(jié)相耦合的土拱效應(yīng)計算模型；孫彥峰等[7]采用有限元模型對無樁無筋、無樁加筋和設(shè)樁加筋3種工況進行對比研究，分析了路堤填土荷載下軟基中超孔隙水壓力隨時間的變化規(guī)律，探討了路堤變形、筋材拉力和樁土荷載分擔(dān)比隨地基土固結(jié)的變化規(guī)律；J.J.ZHENG等[8]采用流固耦合模型，通過對無樁無筋、無樁加筋和樁承式加筋3種工況進行對比研究，考慮路基側(cè)向位移影響，分析了樁承式加筋路堤的作用機理及作用效果；D.T.BERGADO等[9]采用有限差分軟件FLAC2D和FLAC3D對采用兩種不同筋材進行加固的足尺路堤試驗?zāi)Ｐ瓦M行了變形分析，并與實測結(jié)果進行了對比；O.JENCK等[10]考慮樁土共同作用，分別建立三維單樁模型和全路堤斷面模型，分析了完全排水條件下樁承式路堤的工作性狀；J. HUANG等[11-12]分別采用二維和三維有限元流固耦合模型分析了路堤沉降及不均勻沉降、筋材拉力和超孔隙水壓力隨固結(jié)時間的變化規(guī)律，同時對軟土模量、滲透系數(shù)、筋材抗拉模量、樁體模量和樁間距進行了參數(shù)分析。以上研究主要集中于樁承式加筋路堤在淤泥質(zhì)土、泥炭土等軟弱地基中的應(yīng)用，加固效果明顯，滿足了軟弱土地基上快速修筑路堤的需要，但對于樁承式加筋路堤在中低壓縮性土地區(qū)的應(yīng)用研究不多，有關(guān)其時效性的研究更少。

筆者通過建立數(shù)值分析模型，對采用樁承加筋路堤的某城際鐵路試驗段進行時效性分析，對比分析一次填筑和分層填筑兩種填筑方式及不加固和設(shè)樁加筋兩種工況下的地基中超孔隙水壓力、路堤坡腳水平位移、路基表面中心沉降和樁體效率隨時間的變化規(guī)律。

1 工程概況與數(shù)值建模

1.1 工程概況

試驗段地基采用CFG樁+碎石加筋墊層進行加固，CFG樁樁端進入含礫粉質(zhì)黏土層0.5 m，樁長3～6 m，樁徑0.5 m，樁間距1.6 m，按正三角形布樁，樁頂設(shè)方形樁帽，樁帽尺寸為1 m×1 m×0.3 m(長×寬×高)，CFG樁樁體按C15混凝土強度進行配比，彈性模量為10 GPa，土工格柵抗拉強度不小于250 kN/m。

1.2 數(shù)值建模

數(shù)值建模采用有限差分軟件FLAC3D。根據(jù)對稱性，取半幅路基和單排樁影響范圍進行分析，X方向計算寬度取36.0 m，Y方向計算寬度取1.4 m。路堤填土高3.6 m，碎石墊層厚0.5 m，路堤頂面寬6.4 m，底面寬12.0 m，地基土為14.5 m厚的粉質(zhì)黏土，其中包括1.5 m厚的含礫粉質(zhì)黏土夾層，下臥層為堅硬持力層，不考慮其變形。樁長5.5 m，樁間距1.6 m，樁徑0.5 m，在碎石墊層中間位置設(shè)置土工格柵，樁體采用樁單元(pile)模擬，樁帽采用殼單元(shell)模擬，土工格柵采用土工格柵單元(geogrid)模擬。數(shù)值計算模型見圖 1。

圖 1 計算模型(單位：m)Fig. 1 Numerical model

為考慮地基土在路堤填筑期及填筑完成后的排水固結(jié)過程，采用流固耦合計算方法。力學(xué)邊界條件為路基中心無側(cè)向位移，右側(cè)邊界由于超出側(cè)向位移影響范圍，也不考慮其側(cè)向位移，模型底面為固定邊界。模型右側(cè)和底部邊界固結(jié)排水條件封閉，由于對稱性，也不考慮路基中心處的自由水流動，因此僅設(shè)置地基表面為排水邊界。

地基土和碎石墊層均采用實體單元進行模擬，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；路堤填土也采用實體單元，屈服準(zhǔn)則為理想彈性-塑性屈服準(zhǔn)則。樁體和樁帽密度均取2 300 kg/m3，彈性模量取10.0 GPa，泊松比取0.25，土工格柵密度取200 kg/m3，彈性模量取0.5 GPa，耦合彈簧單位面積上的剛度為2.3×104kN/m2，與碎石墊層之間的摩擦角為38°，其他土層參數(shù)見表 1。

表 1 土層參數(shù)

2 影響因素分析

2.1 單元類型的影響

為驗證采用pile+shell結(jié)構(gòu)單元模擬樁+樁帽結(jié)構(gòu)的合理性，通過建立不考慮排水固結(jié)過程的單樁模型，對分別采用結(jié)構(gòu)單元和實體單元+接觸面的數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，如圖2和圖3。

圖 3 樁身軸力對比Fig. 3 Comparison of axial force of pile

由圖 2和圖 3可知：不同填土高度下，兩種計算模型的樁頂沉降和樁身壓縮量的計算結(jié)果均吻合很好；兩者樁身軸力沿深度分布的差異隨填土高度的增加有所增大，最大差值發(fā)生在樁端，但不超過5 kN，填土高度不大于1.8 m時，二者吻合很好。上述分析表明可采用pile+shell單元替代實體單元+接觸面來模擬樁+樁帽結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，從而極大簡化計算模型，節(jié)省計算時間。

2.2 填筑方式的影響

路堤填土高度3.6 m，考慮兩種填筑方式：一次填筑；分6層填筑，每層0.6 m，每層填筑完成后放置10 d，再進行下一層的填筑，如圖 4。選取地基不加固工況進行填筑過程的影響分析，分別對地基中超孔隙水壓力、路基中心沉降和路堤坡腳水平位移隨時間的變化進行分析。

圖4 路堤填筑過程Fig. 4 Embankment construction process

圖 5為地基中最大超孔隙水壓力變化曲線。

圖5 最大超孔隙水壓力變化曲線Fig. 5 Variation curve of maximum excess pore water pressure

由圖5可見，路堤填筑期，一次填筑的最大超孔隙水壓力pmax逐漸減小，而分層填筑的pmax呈階梯狀增大，固結(jié)60 d時，兩種填筑方式的pmax已非常接近，差值僅為4.09 kPa；隨固結(jié)時間增加，兩種填筑方式的pmax均逐漸減小，差值也越來越小。填筑初期，pmax發(fā)生在地基表面附近，沿地基深度遞減，隨固結(jié)時間增加，pmax在逐漸減小的同時，所在位置也逐漸下移，并到達地基底部。

圖 6為地基變形曲線。隨固結(jié)時間增加，地基表面中心沉降均呈非線性增大，并逐步趨于穩(wěn)定；固結(jié)時間為1 000 d時，一次填筑的沉降為76.92 mm，分層填筑的沉降為74.75 mm，相差也不大。一次填筑的路堤坡腳最大水平位移為17.72 mm，分層填筑時，水平位移隨路堤填筑高度增加而增大，填筑完成時達最大值，為14.73 mm。隨固結(jié)時間增加，地基中超孔隙水壓力逐漸消散，地基土體回彈，坡腳水平位移均逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，一次填筑的路堤坡腳水平位移始終大于分層填筑。

圖6 地基變形曲線Fig. 6 Curves of sub-grade deformation

綜上所述，填筑方式對不加固工況下地基中最大超孔隙水壓力的影響較大，最大差值達18.76 kPa，其次是對路堤坡腳水平位移的影響，而對地基表面中心沉降的影響最小。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用分層填筑的方式，從超孔隙水壓力、地基表面沉降和坡腳水平位移3個方面對比分析不加固和樁承式加筋兩種工況下中低壓縮性土地基的時效性。

3.1 超孔隙水壓力

圖7為兩種工況下地基中超孔隙水壓力變化曲線，可知超孔隙水壓力隨路堤填土高度增加而增大，填筑完成時均達到最大值，超孔隙水壓力云圖如圖 8，其中不加固工況的最大超孔隙水壓力為45.97 kPa，出現(xiàn)在地基表面下3.5 m深度處，而此時樁承式加筋工況的超孔隙水壓力僅為15.75 kPa，出現(xiàn)在地基底部，遠小于不加固工況，減小幅度達65.74%。

圖 7 超孔隙水壓力變化曲線Fig. 7 Variation curve of excess pore water pressure

圖9為樁承式加筋工況下不同深度超孔隙水壓力隨固結(jié)時間的變化曲線。路堤填土荷載作用下，由于樁體與樁間土的剛度差異較大，樁頂沉降量小于樁間土沉降量，路堤荷載大部分通過樁帽和樁體傳遞到樁端，樁端區(qū)域附近附加應(yīng)力明顯增大，從而使樁端附近的超孔隙水壓力比樁體加固深度范圍內(nèi)的明顯增大。由于樁端未穿透壓縮土層，分層填筑完成時超孔隙水壓力隨深度增加而增大，最大超孔隙水壓力出現(xiàn)在地基底部，而樁體加固深度范圍內(nèi)超孔隙水壓力不大，如圖9。

圖9 超孔隙水壓力隨深度變化曲線Fig. 9 Variation curve of excess pore water pressure changing with depth

3.2 地基表面沉降

圖 10為地基表面中心沉降變化曲線。樁承式加筋工況下，由于豎向樁體和水平向格柵的共同約束作用，地基表面中心沉降始終小于不加固工況，隨固結(jié)時間增加，樁承式加筋工況的沉降能較快趨于穩(wěn)定。但總體而言，樁承式加筋對沉降的控制效果主要體現(xiàn)在路堤填筑期，對工后沉降的影響不大，固結(jié)60 d時的沉降差值為22.39 mm，僅稍小于固結(jié)1 000 d時的沉降差值26.71 mm。

3.3 坡腳水平位移

圖11為路堤坡腳水平位移變化曲線。

圖11 路堤坡腳水平位移曲線Fig. 11 Horizontal displacement curve at the embankment toe

由圖11可知采用樁承式加筋措施可以大大減小路堤坡腳水平位移，由于豎向樁體和水平向格柵的共同約束作用，樁承式加筋工況下最大坡腳水平位移僅為7.92 mm，大大小于不加固工況的14.73 mm，減小幅度達46.2%。固結(jié)1000 d時，樁承式加筋工況的坡腳水平位移僅為3.25 mm，而不加固工況為8.27 mm。

4 結(jié) 論

1)在FLAC3D數(shù)值模型中采用pile+shell結(jié)構(gòu)單元可以較好地模擬樁+樁帽與土體的相互作用，進而極大簡化計算模型，節(jié)省計算時間。

2)路堤填筑過程對地基中超孔隙水壓力和地基變形影響較大，為使模擬結(jié)果接近工程實際，需考慮路堤填筑過程的影響。

3)采用樁承式加筋路堤可以有效控制中低壓縮性土地基的路堤填筑施工變形和工后變形，防止地基在路堤填土荷載下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

[1] 鄭俊杰, 曹文昭, 董同新, 等. 中低壓縮性土地區(qū)樁承式加筋路堤現(xiàn)場試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2015, 37(9): 1549-1555. ZHENG Junjie, CAO Wenzhao, DONG Tongxin, et al. Experimental investigation of geogrid-reinforced and pile-supported embankment on soils with medium-low compressibility[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2015, 37(9): 1549-1555.

[2] 張軍, 鄭俊杰, 馬強. 路堤荷載下雙向增強體復(fù)合地基受力機理分析[J]. 巖土工程學(xué)報, 2010, 32(9): 1392-1398. ZHANG Jun, ZHENG Junjie, MA Qiang. Mechanical performance of biaxial reinforcement composite foundation under embankment loads[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2010, 32(9): 1392-1398.

[3] HAN J, GABR M A. Numerical analysis of geosynthetic-reinforced and pile-supported earth platforms over soft soil[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering, ASCE, 2002, 128(1): 44-53.

[4] 費康, 劉漢龍. 樁承式加筋路堤的現(xiàn)場試驗及數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(4): 1005-1012. FEI Kang, LIU Hanlong. Field test study and numerical analysis of a geogrid-reinforced and pile-supported embankment[J].RockandSoilMechanics, 2009, 30(4): 1005-1012.

[5] 芮瑞, 夏元友. 樁-網(wǎng)復(fù)合地基與樁承式路堤的對比數(shù)值模擬[J]. 巖土工程學(xué)報, 2007, 29(5): 769-772. RUI Rui, XIA Yuanyou. Numerical simulation and comparison of pile-net composite foundation with pile-supported embankment[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2007,29(5): 769-772.

[6] 曹衛(wèi)平, 陳云敏, 陳仁朋. 考慮路堤填筑過程與地基土固結(jié)相耦合的樁承式路堤土拱效應(yīng)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27(8): 1610-1617. CAO Weiping, CHEN Yunming, CHEN Renpeng. Analysis of soil arching in piled embankments considering coupled effect of embankment filling and soil consolidation[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2008, 27(8): 1610-1617.

[7] 孫彥峰, 駱瑞萍, 陳保國. 樁承式加筋路堤時效性數(shù)值模擬研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2009, 36(5): 56-58, 65. SUN Yanfeng, LUO Ruiping, CHEN Baoguo. Numerical simulation on time-dependent behavior of geosynthetics pile-supported reinforced embankment[J].ExplorationEngineering(Rock&SoilDrillingandTunneling), 2009, 36(5): 56-58, 65.

[8] ZHENG J J, CHEN B G, ABUSHARAR S W. The performance of an embankment on soft ground reinforced with geosynthetics and pile walls[J].GeosyntheticsInternational, 2009, 16(3): 171-181.

[9] BERGADO D T, TEERAWATTANASUK C. 2D and 3D numerical simulations of reinforced embankments on soft ground[J].GeotextilesandGeomenbranes, 2008, 26(1): 39-55.

[10] JENCK O, DIAS D, KASTNER R. Three-dimensional numerical modeling of a piled embankment[J].InternationalJournalofGeomechanics, ASCE, 2009, 9(3): 102-112.

[11] HUANG J, HAN J. 3D coupled mechanical and hydraulic modeling of a geosynthetic-reinforced deep mixed column-supported embankment[J].GeotextilesandGeomembranes, 2009, 27(4): 272-280.

[12] HUANG J, HAN J, OZTOPRAK S. Coupled mechanical and hydraulic modeling of geosynthetic-reinforced column-supported embankments[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering, 2009, 135(8): 1011-1021.

(責(zé)任編輯：譚緒凱)

Time-Dependent Behavior of Geosynthetic-Reinforced and Pile-Supported Embankment of the Soil with Medium-Low Compressibility

DING Liemei1, GUO Chaoxiang2

(1.Department of Highway Engineering, Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan 030609, Shanxi, P. R. China; 2.Department of Engineering Management, Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan 030609, Shanxi, P. R. China)

A three-dimensional coupled mechanical and hydraulic model was built by using the finite-difference continuum program (FLAC3D) based on an inter-city railway. The comparison analysis of the time-dependent behavior of the GRPS embankment of the soil with medium-low compressibility was carried out. The variation rule of excess pore water pressure, settlement at the center of sub-grade surface, and horizontal displacement at the embankment toe changing with the time under the condition of the unreinforced ground and the ground reinforced with GRPS were elaborated in detail. The results show that GRPS could effectively control the ground deformation of soil with medium-low compressibility during and after the embankment construction, which prevents the failure and instability of foundation under the embankment load.

highway engineering; soil with medium-low compressibility; geosynthetic-reinforced and pile-supported embankment; time-dependent behavior; excess pore water pressure; post-construction deformation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.08

2015-12-23；

2016-10-08

丁烈梅(1971—)，女，山西晉中人，副教授，主要從事路基路面工程方面的研究。E-mail:sxjt_jgc@126.com。

U213.1

A

1674- 0696(2017)05- 040- 05