全風(fēng)化花崗巖路基改擴建差異沉降處治分析

張 軍，黃 淼，李友云，任貴政，謝繼登

(1.湖南省蓮株高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 株洲 412000；2.湖南省官新高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410000；3.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

0 引言

對于復(fù)雜地質(zhì)條件(軟土、全風(fēng)化花崗巖等地質(zhì))和不良路基填料等情況下低等級公路升級改造成高等級公路的工程，為減小新老路基差異沉降，應(yīng)根據(jù)工程實際，合理進行處治。國內(nèi)有很多專家學(xué)者通過理論研究、模擬實驗與數(shù)值模擬等手段對新老路基差異沉降的相關(guān)問題進行了研究。孟學(xué)清[1]從路基拓寬工程出發(fā)，對高速公路拓寬路基差異變形機理及處治方法進行了分析。李曉[2]等利用FLAC3D軟件建模，研究了山區(qū)公路拓寬工程中新老路基相互作用下的變形規(guī)律。翁效林[3-5]等通過土工離心試驗?zāi)Ｐ?，對不同工況下的新老路基處置技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，將有限元用于工后沉降預(yù)測。南秋彩[6]建立典型拼接路面結(jié)構(gòu)的三維模型，研究拼接處受力狀態(tài)，給出了道路擴建工程中寬度和路面設(shè)計大量的建議。楊廣慶等[7]通過有限元方法對開挖臺階、(開挖臺階+土工格柵)、(開挖臺階+土工格柵+錨桿錨固)3種處治方法進行研究。李鵬[8]等通過數(shù)值模擬，認為CFG樁復(fù)合地基能夠較好地解決不均勻沉降問題。司曉煒[9]對公路路基拓寬施工中土工格柵技術(shù)應(yīng)用進行了優(yōu)化設(shè)計。劉濤[10]等利用ABAQUS創(chuàng)建路基加寬數(shù)值計算模型，對挖臺階、土工格柵處置下工程差異沉降進行分析。本文利用有限元軟件建立在不同處治下的全風(fēng)化花崗巖改擴建路基模型，分析路基沉降情況，對相應(yīng)處治方法進行研究。

1 有限元模型建立

1.1 路基結(jié)構(gòu)

單側(cè)加寬，原路基寬12 m，加寬至12.5 m，邊坡坡度為1∶1.5，雙向4車道，設(shè)計速度為100 km/h。新路基分3層，93區(qū)填料為全風(fēng)化花崗巖素土，94區(qū)為4%水泥改良土，96區(qū)為8%水泥改良土。地基上伏基層為粉質(zhì)粘土，下伏基層為全風(fēng)化花崗巖。舊路基高4 m，新路基抬高了0.8 m，地下水位3 m。模型具體尺寸如圖1所示。采用10 kPa等效均布荷載代替車輛荷載[9]。

圖1 路基與地基模型計算幾何參數(shù)(單位：m)Figure 1 Subgrade and foundation model calculation geometry parameters(Unit:m)

1.2 材料屬性

模型中土體采用Mohr-Coulomb模型，樁體選用理想線彈性模型。模型中路面各結(jié)構(gòu)層、老路基、地基土、土工格柵等材料參數(shù)，根據(jù)實地工程地質(zhì)勘測資料和相關(guān)文獻[10]給出，見表1。材料力學(xué)特性考慮路基內(nèi)部濕度場的變化[11]，新路基各層參數(shù)見表2～表4。

表1 路面,路基與地基材料參數(shù)Table 1 Pavement ,subgrade and foundation material parameters結(jié)構(gòu)層厚度/m重度/(kN·m-3)孔隙比彈性模量E/MPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)面層0.7524—1 5000.25——老路基419—400.3030.19.6砂墊層0.5201.8500.30130土工格柵———38 7000.25——粉質(zhì)黏土5.217.50.780160.291621全風(fēng)化花崗巖24.3190.69400.303925

表2 新路基93區(qū)填料力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of the new subgrade 93 ar-ea 力學(xué)參數(shù) 粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量E/MPa泊松比拓寬完工時39.221.582.60.31工后365 d37.419.478.40.31工后500 d34.615.271.70.31工后700 d30.19.6630.31工后1000 d23.87.557.20.31注:r=18.5 kN/m3。

表3 新路基94區(qū)填料力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of the new subgrade 94 ar-ea 力學(xué)參數(shù) 粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量E/MPa泊松比拓寬完工時68.324.1125.50.31工后365 d63.723.21190.31工后500 d59.821.4108.70.31工后700 d50.616.896.50.31工后1 000 d43.310.787.30.31注: r=18.6 kN/m3。

表4 新路基96區(qū)填料力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of the new subgrade 96 ar-ea 力學(xué)參數(shù) 粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量E/MPa泊松比拓寬完工時98.726.21830.31工后365 d92.325.6173.60.31工后500 d8823.9154.20.31工后700 d80.5218.81300.31工后1 000 d72.911.7112.80.31注: r=18.9 kN/m3。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，上半部分(含新老路基、路面結(jié)構(gòu)層)網(wǎng)格設(shè)置為CPE4R，下半部分為CPE4P，土工格柵采用桿單元進行模擬，利用Constraint功能將格柵嵌入土體當(dāng)中。模型中地基深度取30 m，寬度取80 m，地基左右側(cè)邊界條件為水平方向上約束，豎直方向上自由；地基底部設(shè)置為水平及垂直均方向固定；地基上部邊界設(shè)置為水平與豎直方向的自由，然后排水。

2 差異沉降處治數(shù)值分析

2.1 開挖臺階時路基差異沉降數(shù)值結(jié)果分析

采取開挖臺階的方式，臺階高1 m，水平距離2 m，共4階。位移云圖如2所示，本文僅列出竣工時、工后1 a和工后15 a。

(a)通車0 a水平位移 (b)通車1 a水平位移

從圖2知，路基拓寬運營后，水平位移主要產(chǎn)生在路基坡腳及地基一定深度，新路基對舊路基產(chǎn)生推擠作用，路基內(nèi)部各部位的水平位移值較小。新老路基沉降較大的區(qū)域分布在下路堤，上路堤和路床沉降量較小，且沉降主要集中在工后1 a內(nèi)。

圖3～圖5分別為新老地基的水平位移、豎向位移以和工后路面表面沉降圖。如圖3 a所示，開挖臺階時，新老路基兩側(cè)有方向相反的水平變形，在新老路基接合部位水平位移幾乎為0，最大位移產(chǎn)生于新老路基邊坡坡腳向路基內(nèi)部的一定位置處。填筑完成時，舊路一側(cè)地基最大水平位移為2.88 cm，而新路基一側(cè)為3.04 cm；工后1 a，老路一側(cè)增大到3.27 cm，提升了0.39 cm，新路一側(cè)則增大到3.46 cm， 提升了0.42 cm；工后1～15 a地基表面處各點的水平位移基本不再發(fā)生變化。由圖3(b)和3(c)可知，開挖臺階時，新老路基邊坡坡腳以下地基各點的位移方向相反，且隨地基深度的延伸，新老坡腳處的水平位移值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最大水平位移值均出現(xiàn)在地基以下2～4 m處，工后1 a以后，地基內(nèi)部各點的水平位移值基本不再變化。

(a) 開挖臺階處置工后不同時刻地基表面水平位移

圖4 開挖臺階處置時地表沉降Figure 4 Surface settlement curve during step treatment

由圖4可知，舊路中部下方的地基表面處，從拓寬開始至竣工時沉降了5.3 cm，新路中部下方的地基表面處沉降了18 cm，工后1 a內(nèi)，舊路中部下方的地基沉降了1.2 cm，新路中部下方的地基沉降量為1.4 cm，新老地基沉降量基本一致。地基沉降集中在填筑期及工后1 a內(nèi)。

由圖5可知，路面表面的沉降主要集中在通車1 a，通車15 a時，路面表面沉降最大點在新路一側(cè)路面中部，為27.2mm，舊路一側(cè)的路面中部處沉降為20 mm，差異沉降7.2 mm。

圖5 開挖臺階處置時路面表面沉降Figure 5 Surface settlement curve of road surface during step treatment

2.2 設(shè)置土工格柵時改擴建差異沉降分析

設(shè)置3層土工格柵，具體為距路床頂面以下80 cm處、基底之上以和中間臺階處，搭接寬度2 m，新建側(cè)延伸長度8 m。由于篇幅，本文只列出填筑完成及工后1 a時的位移云圖，見圖6。

(a) 通車0 a

由圖6可知，在臺階處治的基礎(chǔ)上設(shè)置土工格柵可以有效減小路基水平位移，同時在一定范圍上降低新老路基和路面表面的工后沉降。

地基的水平位移、地表沉降豎直位移和路面表面沉降圖分別如圖7～圖9所示。

(a) 地基表面水平位移

圖8 臺階+土工格柵時地表沉降圖Figure 8 Surface settlement diagram of step+geogrid

圖9 臺階+土工格柵時路面沉降圖Figure 9 Step+geogrid pavement settlementgeogrid

如圖7(a)所示，竣工時到工后15 a之間，鋪設(shè)土工格柵后地基表面各點水平位移較僅開挖臺階時均有所減小。舊路基側(cè)，竣工時和工后1 a時水平位移分別是1.64和1.92 cm，較無土工格柵時2.88和3.27 cm分別減小1.24和1.35 cm；新路基側(cè)，竣工時和工后1 a分別為1.90和2.17 cm，比未鋪設(shè)土工格柵時的3.04和3.46 cm分別減小了1.14和1.29 cm。工后1～15 a，地基表面各點的水平位移僅有較小變化。由圖7(b)和7(c)可以看出，竣工時到工后15 a，鋪設(shè)土工格柵后地基內(nèi)部各點處的水平位移值有所降低。

如圖8所示，舊路中部下方的地基表面處，從拓寬開始至竣工時沉降了5.4 cm，新路中部下方的地基表面處沉降量為16.2 cm，較無土工格柵時減小1.8 cm。工后1 a，舊路中部下方的地基表面沉降為1.1 cm，新路中部下方的地基表面沉降為1.3 cm，工后1～15 a，地基基本穩(wěn)定，新老地基的總沉降量基本不再變化。

如圖9所示，設(shè)置臺階及加鋪土工格柵，工后15 a時，路面最大沉降為21 mm，較無土工格柵工況減少6 mm，老路中心路面沉降為17.8 mm，同樣小于未鋪設(shè)土工格柵時的20 mm。

2.3 水泥攪拌樁加固軟土地基處治效果分析

在設(shè)置臺階和土工格柵模型的基礎(chǔ)上對地基進行水泥攪拌樁加固，水泥攪拌樁要求向下穿透軟土層并在硬層中有0.5 m嵌入，向上進入砂墊層0.3 m，樁徑0.5 m，樁間距0.8 m，樁長4 m。位移云圖如圖10所示，本文僅展示填筑完成及工后1 a時位移云圖。

(a) 通車0 a水平位移

由圖10可知，對軟土層進行打樁加固處理，使土工格柵與路基連接成整體，顯著地降低了新老路基之間的水平位移，且下路堤部位沉降較大的區(qū)域也相應(yīng)減少較多。

圖11～圖13分別為施工期及其工后地基水平位移、地表沉降豎直位移圖和路面表面工后沉降圖。

(a) 打樁加固軟基處治后地基表面水平位移

圖12 打樁加固軟基處治后地表沉降曲線Figure 12 Curve of surface settlement after soft foundation treatment by piling reinforcement

圖13 打樁加固軟基處治后路面表面沉降曲線Figure 13 Curve of surface settlement of pavement after soft foundation treatment

由圖11(a)可知，打樁加固處理后的新老地基表面各點的水平位移均有不同程度的減小。舊路基側(cè)，竣工和工后1 a時的最大水平位移為0.56和0.75 cm，較未打樁加固處理工況的1.64和1.92 cm分別減小了1.08和1.17 cm；新路基側(cè)則相應(yīng)減小了0.98和1.07 cm。工后1～15 a地基表面各點水平方向位移基本不再變化。由圖11(b)和圖11(c)可知，打樁加固處理后的新老路基坡腳下地基內(nèi)部各點處的水平位移均有所降低。水泥攪拌樁加固處治可以有效降低地基內(nèi)部的水平位移，保障新老路基運營期穩(wěn)定。

由圖12可知，打樁加固處理后，工后沉降主要集中在1 a內(nèi)，且沉降量有明顯減小。填筑完成時，舊路中部下方的地基表面的沉降值為4.2 cm，相應(yīng)減小了1.2 cm，新路中心下方的地表處沉降量為10.9 cm，相應(yīng)減小了5.3 cm。工后1 a內(nèi)，老路中心下方的地基表面處沉降為0.8 cm，新路中心下方的地基表面處沉降為1.1 cm，均比未打樁加固時有所降低。

由圖13可知，地基經(jīng)打樁加固處理后，面層在工后更趨穩(wěn)定，工后總沉降量和不均勻沉降量較未打樁加固處理時均有所減小，可見對不良地基進行打樁處理可以顯著提升路基路面在工后的穩(wěn)定性，大幅減小其差異沉降。

3 結(jié)論

利用ABAQUS軟件建立不同處治措施下的全風(fēng)化花崗巖改擴建路基有限元模型，同時考慮路基濕度場變化引起的填料力學(xué)特性衰減，分析了新老路基、新老地基、路面表面的沉降和水平方向變形狀況，結(jié)論如下：

a.新老地基的沉降主要集中在拓寬施工期和工后1 a內(nèi)，施工期內(nèi)新路基中部沉降18 cm，遠大于老路基沉降的5.3 cm，工后1 a，老路基僅發(fā)生輕微沉降；通車1 a后，地基及路基沉降基本穩(wěn)定。

b.開挖臺階可以有效增加新老路基結(jié)合部的抗剪能力，減小新老路基和地基在施工期及運營期產(chǎn)生的側(cè)向位移；若能夠在開挖臺階基礎(chǔ)上加鋪高強度土工格柵，可以使側(cè)向位移較僅開挖臺階時減小40%～50%，降低新老路基和地基在運營期的總沉降約1～2 cm，降低新老路基不均勻沉降程度約50%。

c.對軟土地基進行打樁加固處理，一方面可以使新老路基在施工期和運營期的側(cè)向位移大幅度降低，位移量均小于1 cm，穩(wěn)定性大幅度提高；另一方面，可以有效控制新路基在施工運營期間的沉降量以及新老路基的不均勻沉降量，路面面層在運營期的沉降值較未加固處理時減少了6 cm，差異沉降量減少到2 cm內(nèi)。