吹填砂路基拼接既有防洪江堤修建城市道路技術(shù)研究

胡 磊 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

近年來(lái)，隨著沿海、沿江、沿湖地區(qū)的發(fā)展，利用豐富的泥沙資源，采用吹填方式進(jìn)行路基[1-2]施工，開(kāi)展高速公路、市政道路、城市廣場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)跑道[3]等領(lǐng)域施工逐漸火熱，它是一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的措施和手段，在國(guó)內(nèi)及歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家均得到了大量的應(yīng)用。

南京市濱江大道工程位于梅子州汊道左岸長(zhǎng)江漫灘，道路設(shè)計(jì)為雙向四車(chē)道，路幅寬42m。該工程拓寬現(xiàn)有防汛大堤，按照1級(jí)堤防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因附近土源少，采用了長(zhǎng)江砂吹填路基拼接防洪江堤方式，修建城市沿江景觀道路工程。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)吹填砂路基的理論及沉降預(yù)測(cè)[4-5]研究大多建立在沿海、沿湖及大河附近造陸和路基[6-7]施工上，對(duì)土質(zhì)、石質(zhì)路基吹填砂拓寬[8-17]的施工技術(shù)研究很少。本文以南京浦口濱江大道工程項(xiàng)目為背景，通過(guò)細(xì)致、深入研究，提出建立了新老搭接路基土體本構(gòu)模型，探索了釘型水泥攪拌樁對(duì)復(fù)合地基承載力的影響規(guī)律，開(kāi)展了單側(cè)拓寬臺(tái)階、錐探灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)工后沉降影響力分析，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成了一套較為成熟的吹填砂路基拼接既有防洪江堤修建城市道路的理論和方法，可以為江堤、海堤的拓寬設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)支撐。

1 土體本構(gòu)模型

1.1 土層參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，采用莫爾-庫(kù)倫模型理論，針對(duì)各個(gè)土層的基本巖性參數(shù)開(kāi)展適度的調(diào)整與修正，數(shù)值模擬的基本土性參數(shù)如表1所示。

各土層土性參數(shù) 表1

1.2 樁體模型簡(jiǎn)化

對(duì)于錐探灌漿和雙向水泥土攪拌樁處理軟土地基，計(jì)算中采用二維平面模型，把原先三維的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面二維模型，用軟件中的板類(lèi)組來(lái)進(jìn)行樁的模擬，依據(jù)現(xiàn)有資料將樁體在路基沿里程號(hào)方向簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)等效體。

圖1 樁身模量折減模型

樁土等效體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，樁土等效體模量的計(jì)算公式：

式中，Ep為樁身模量；Es為樁間土模量；d為折減過(guò)程中的等效距離，當(dāng)樁呈正三角形布置時(shí)d=1.05d0，呈正方形布置時(shí)d=d0(d0為樁間距)。

板的性質(zhì)中最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)即抗彎(彎曲剛度)EI以及軸向剛度EA。通過(guò)前文中的兩大數(shù)據(jù)即可采用下列獲得所需要的等效厚度deq：

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，本文中所選用的直徑為0.6m的雙向水泥土攪拌樁的EA為 46800kN/m，EI為 1400kN·m2，容重選擇10kN/m3，而泊松比選擇0.15。

1.3 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

本文的計(jì)算對(duì)象為K1+400斷面吹填砂路堤荷載下雙向水泥土復(fù)合地基，雙向水泥土攪拌樁的樁身直徑為0.6m，樁身長(zhǎng)度為16m，新路堤頂部寬度為42m，老堤頂部寬度為6.4m，老堤頂坡底距離為7.2m，不調(diào)整坡面坡度。幾何模型在正式完成構(gòu)建之后，即可建立相關(guān)的模型網(wǎng)格。如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬生成的網(wǎng)格

施工過(guò)程主要模擬以下幾個(gè)步驟：

①初始應(yīng)力場(chǎng)的生成，進(jìn)行自重平衡的計(jì)算；

②雙向水泥土攪拌樁施作；

③吹填砂層施工；

④素填土層施工；

⑤靜置100天后。

2 單側(cè)拼接處臺(tái)階尺寸優(yōu)化

利用路基典型剖面，同時(shí)考慮填土影響范圍，取深度在天然地表下40.0m，寬度取140.0m，構(gòu)件計(jì)算模型。本文考慮4種臺(tái)階方案，分別為不設(shè)臺(tái)階，臺(tái)階高度40cm，臺(tái)階高度80cm，臺(tái)階高度120cm。在分析拼接臺(tái)階高度的時(shí)候，假定新老路基接觸面為不連續(xù)面，在臺(tái)階和土工布之間設(shè)置接觸。模型假定路基土體應(yīng)力-應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，土體的破壞服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。模型邊界為固定約束，左右側(cè)邊界為水平向約束，底邊界為豎向約束。

圖3 路基典型剖面計(jì)算模型

2.1 新老路基接觸面不設(shè)臺(tái)階方案

利用路基典型剖面建模，采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行剖分，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分別為：初始應(yīng)力生成、混凝土攪拌樁施打、吹填砂施工、素填土施工、工后100天自然沉降。建立剖分網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)臺(tái)階模型有限元網(wǎng)格

計(jì)算分別得到延豎直和水平兩個(gè)方向的位移云圖。從圖5沉降量云圖可以看出，該典型斷面上主要沉降量發(fā)生在新路基下，影響深度剛好觸及最下面的黏土層，最大累計(jì)沉降量達(dá)到146mm。新老路基搭接處也受到一定的影響，從顏色變化也可以看出新建道路造成沉降影響區(qū)逐漸向兩側(cè)擴(kuò)散、逐漸削弱的過(guò)程。從圖6水平位移云圖可以看出，新拓寬道路建設(shè)以后，道路中間受左右土體擠壓基本上沒(méi)有發(fā)生位移。而新堤左肩向左側(cè)滑移，老堤受新填土影響右肩向右側(cè)產(chǎn)生位移。新堤左側(cè)最大水平位移達(dá)到123mm。

圖5 無(wú)臺(tái)階模型累計(jì)沉降分析

圖6 無(wú)臺(tái)階模型水平位移計(jì)算云圖

由于新建道路填土影響，主要集中在新填土正下方，產(chǎn)生了超靜孔壓力，新老路基搭接處也受到了一定影響，如圖7所示。由于路基土體均設(shè)為透水性，在填土靜置100天后，超靜孔壓力并不是很大。

圖7 超靜孔壓力云圖

計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析：

K1+700觀測(cè)斷面測(cè)斜管水平位移變化數(shù)據(jù)如圖8所示，路基填土施工完畢靜置100天后即12月24日，新堤沿x軸負(fù)方向即新建道路左側(cè)水平最大位移達(dá)108mm，最小位移1mm，隨土體深度增大，水平位移逐漸減少。其位移規(guī)律與模型計(jì)算結(jié)果具有一致性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略小于計(jì)算數(shù)據(jù)，因此該計(jì)算模型還是比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的。

圖8 K1+700斷面測(cè)斜管水平位移變化圖

2.2 多種臺(tái)階高度路基沉降分析

利用路基典型剖面建模，設(shè)置吹填砂路基與老江堤之間臺(tái)階高度分別為40cm、80cm、120cm。對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，得到路基沉降變形如圖9所示?？梢钥闯雠_(tái)階高度由小到大，新建道路造成的主要沉降影響區(qū)由新路基下方逐漸向新老路基搭接處移動(dòng)，并向兩側(cè)漸漸削弱。與無(wú)臺(tái)階比較，臺(tái)階高度為0.4m時(shí)沉降量最小。

2.3 多種臺(tái)階高度路基水平位移分析

通過(guò)對(duì)臺(tái)階高度分別為40cm、80cm、120cm的吹填砂與江堤拼接路基建模，進(jìn)行施工過(guò)程模擬，得到路基水平位移如圖10所示。可以看出當(dāng)臺(tái)階高度達(dá)到0.8m及以上時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)幾乎與拼接面相垂直的滑移面，新建道路向負(fù)方向滑移，老江堤向右側(cè)滑移。通過(guò)上述三種工況分析發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階設(shè)置可有效抑制路基水平位移，有效增強(qiáng)搭接效果。

圖9 多種臺(tái)階高度路基模型沉降變形分析

圖10 多種臺(tái)階高度路基模型水平位移分析

2.4 多種臺(tái)階高度路基超靜孔壓力分析

通過(guò)對(duì)臺(tái)階高度分別為40cm、80cm、120cm的吹填砂與江堤拼接路基建模，進(jìn)行施工過(guò)程模擬，得到超靜孔壓力云圖如下圖9所示?？梢钥闯?，超靜孔壓力主要集中在粘土層和粘土互層中，隨著臺(tái)階高度的增加，超靜孔壓力有所減小。由于超靜孔壓力過(guò)大不利于土體早期固結(jié)沉降，后期拼接處容易產(chǎn)生裂縫，影響道路質(zhì)量，因此適當(dāng)增大臺(tái)階尺寸有利于減少后期不均勻沉降病害。

3 錐探灌漿拼接優(yōu)化

利用路基典型剖面建模，采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行剖分，錐探灌漿孔深選取進(jìn)入江堤基0.5m，呈等三角形布置，考慮孔間距分別為1m、2m、3m。對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分別為：初始應(yīng)力生成、混凝土攪拌樁施打、吹填砂施工、素填土施工、錐探灌漿。建立剖分網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

圖11 多種臺(tái)階高度路基模型超靜孔壓力分析

圖12 錐探灌漿網(wǎng)格模型

3.1 多種間距錐探灌漿處理路基沉降分析

通過(guò)圖13可以看出，路基最大沉降位移大多發(fā)生在新老路堤拼接處，間距1m的沉降位移最小78.8mm，間距3m時(shí)最大243mm，并向兩側(cè)坡腳逐漸減小。

3.2 多種間距錐探灌漿處理路基水平位移分析

圖13 多種間距錐探灌漿處理路基模型沉降變形分析

圖14 多種間距錐探灌漿處理路基模型水平位移分析

通過(guò)圖14可以看出，錐探灌漿間距拉大時(shí)，在路基下方會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)交叉呈X形的滑移面，其中負(fù)方向的滑移面發(fā)生在新老堤交接的坡面，正方向的滑移面垂直于交界面。而路基產(chǎn)生的最大水平位移均不大，對(duì)工程質(zhì)量影響不大。

3.3 多種間距錐探灌漿處理路基超靜孔壓力分析

通過(guò)圖15可以看出，超靜孔壓力主要集中在粘土層中，隨著錐探灌漿間距的拉大超靜孔壓力有所減小。由于超靜孔壓力過(guò)大不利于土體早期固結(jié)沉降，后期拼接處容易產(chǎn)生裂縫，影響道路質(zhì)量，因此適當(dāng)增大錐探灌漿間距有利于減少后期不均勻沉降病害。

圖15 多種間距錐探灌漿處理路基模型超靜孔壓力分析

4 結(jié)論

通過(guò)吹填砂路基拼接既有防洪江堤修建城市道路技術(shù)研究，分析了設(shè)置不同高度臺(tái)階、不同間距錐探灌漿等工況下，吹填砂與老江堤拼接路基的變形規(guī)律，建立了合理的力學(xué)分析模型，并給出了該類(lèi)型工程設(shè)計(jì)的意見(jiàn)和建議，主要結(jié)論如下。

①?gòu)挠邢拊Ｐ蛠?lái)看，在新老路基搭接時(shí)選擇的臺(tái)階尺寸和搭接效果具有一定的相關(guān)性：一方面，臺(tái)階尺寸小，臺(tái)階數(shù)量增多，這有利于新老路基的結(jié)合，減少了沉降量；另一方面，臺(tái)階尺寸較小時(shí)，路基下超靜孔壓力較大，不利于土體早期固結(jié)，增大后期不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)。采用0.8m～1.0m尺寸的臺(tái)階可以大大減少拼接處不均勻沉降，并且削減下臥層產(chǎn)生超靜孔壓力造成的后期病害。

②錐探灌漿對(duì)新老路搭接效果與錐探灌漿距離有關(guān)，距離太小，樁體自重大，早期沉降量偏大，宜造成較大的超靜孔壓力；距離太大，拼接處加固效果不明顯。建議間距在2m左右為宜。

③在進(jìn)行吹填砂路基拼接既有江堤修建城市道路設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)考慮這幾個(gè)方面內(nèi)容：a.臺(tái)階尺寸不能過(guò)大，要滿(mǎn)足早期沉降和橫向位移控制要求；b.盡量降低地基內(nèi)部超靜孔壓力，減少后期不均勻沉降，保證搭接效果；c.考慮到施工難度、進(jìn)度和成本，臺(tái)階數(shù)量不宜太多；d.錐探灌漿技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上。