軟土地區(qū)高速公路樁承式加筋路堤荷載傳遞機理數(shù)值模擬

靳進釗 JIN Jin-zhao；王昕 WANG Xin；蒲昌瑜 PU Chang-yu；楊廣慶 YANG Guang-qing

（①河北雄安榮烏高速公路有限公司，保定071799；②石家莊鐵道大學，石家莊050043；③河北省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，石家莊050021）

0 引言

樁承式加筋路堤是由地基、樁、樁帽、加筋墊層和填土路堤構(gòu)成的復(fù)雜土工結(jié)構(gòu)物。實踐表明，采用樁承式加筋路堤結(jié)構(gòu)支撐路堤，具有施工工期短，處理深度大、施工質(zhì)量易控制、對相鄰建筑影響小、加固效果好的特點，在國內(nèi)外高速路、鐵路、機場及路橋過渡段等工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在路堤填土的柔性荷載作用下，樁體和樁間土之間產(chǎn)生差異沉降，從而引起應(yīng)力重分布，路堤荷載在樁土間進行傳遞和調(diào)整，使樁體承擔大部分路堤荷載，即所謂的“土拱效應(yīng)”[1-2]。土拱效應(yīng)不僅使路堤荷載從樁間土向樁體上轉(zhuǎn)移，而且還可有效減少樁土間的不均勻沉降。由于寬域斷面的路基橫斷面寬度較大，地質(zhì)條件不連續(xù)，因此路基橫斷面荷載的分布特征及變形特性與普通路基存在一定的差異。因此本文采用二維有限元進行數(shù)值模擬，研究樁長、樁間距、樁帽寬度和路堤高度對樁承式加筋路堤荷載傳遞的影響。分析對比路基中心處、中心線右側(cè)和路肩處，路基表面土壓力變化規(guī)律，對寬域斷面路基橫斷面荷載變化規(guī)律進行研究。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 現(xiàn)場試驗概述

河北省平原區(qū)某高速公路樁承式加筋路堤試驗段為K42+450～K42+985區(qū)域，屬湖積平原區(qū)，地勢較平坦，地層主要為第四系全新統(tǒng)沖湖積及上更新統(tǒng)沖洪積形成的粉土、粉質(zhì)黏土、粉細砂等。軟土、軟弱土連續(xù)分布。試驗斷面位于路橋過渡段，軟土地基采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基進行處理。預(yù)應(yīng)力管樁混凝土強度為C60，樁長為14m，樁間距2m，正方形布置，樁頂設(shè)1.0m×1.0m×0.3m的C30鋼筋混凝土樁帽，試驗段設(shè)置了厚度為0.3m的土工格柵加筋碎石墊層。試驗斷面主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗路基橫斷面技術(shù)指標

1.2 路基橫斷面荷載變化規(guī)律

路堤填筑過程中，路堤荷載的大小和作用范圍不斷變化，因此對應(yīng)不同的路堤填筑高度，樁、土應(yīng)力大小及橫向分布特征會有所不同。圖1給出了Ⅰ、Ⅲ斷面樁土應(yīng)力比與填土高度之間的關(guān)系。由圖可見，隨著路堤高度的增加，樁土應(yīng)力比逐漸增大，土拱效應(yīng)發(fā)揮程度逐漸增大。而同一試驗段以路堤中心線開始向路肩方向，樁土應(yīng)力比逐漸減小，土拱效應(yīng)減弱。呈現(xiàn)出路堤中心線處土拱效應(yīng)效應(yīng)最強，路肩處土拱效應(yīng)效應(yīng)最弱的特征。

圖1 樁土應(yīng)力比變化曲線

說明，樁承式路堤應(yīng)力集中效應(yīng)的產(chǎn)生，不僅與路堤填筑高度有關(guān)，并且與測試點位置有關(guān)。以路堤中心線開始向路肩方向，應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸減小。路肩處處于邊坡臨空面，因此應(yīng)力狀態(tài)與路基中心處存在差異。

1.3 土壓力及樁土應(yīng)力比變化規(guī)律

表2為各試驗斷面施工完成后和觀測期結(jié)束時的樁土應(yīng)力比?？梢钥闯鲈诼返淌┕ね瓿珊髽锻翍?yīng)力比略有下降，其主要原因是土拱效應(yīng)的發(fā)揮，使得樁體承擔更多荷載，從而在一定程度上減小了差異沉降。因此在工后觀測期間樁土應(yīng)力比略有減小。對比Ⅰ、Ⅱ斷面，和Ⅱ、Ⅳ斷面各觀測階段樁土應(yīng)力比，可以看出提高路堤高度和增大樁間距都能提高樁土應(yīng)力比，在一定程度上促進土拱效應(yīng)的發(fā)揮。其中Ⅲ斷面樁土應(yīng)力比從峰值到穩(wěn)定階段變化幅度最大。可見加筋材料對均化路堤沉降有一定作用。

表2 各試驗斷面樁土應(yīng)力比

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了進一步分析不同影響因素對荷載傳遞的的影響和寬域斷面路基橫斷面荷載變化規(guī)律，本小節(jié)通過有限元方法進行分析。

2.1 模型建立及參數(shù)選取

利用有限元軟件ABAQUS建立了二維全斷面有限元模型。路堤寬度42m，邊坡比1∶1.5。為減小邊界效應(yīng)的影響，建立模型時在地基兩側(cè)各加寬25m。地基軟土、軟弱土連續(xù)分布，深度為30m，有限元模型中軟土地基采用分層設(shè)置，主要地層分5層。地下水位埋深10m，地下水位以下地基土考慮排水固結(jié)。墊層厚度為0.3m，路堤填土高度3-7m，分層填筑。數(shù)值模型條件與現(xiàn)場試驗工況一致。軟土采用修正劍橋模型，路堤材料采用摩爾-庫倫模型，樁與加筋體均采用線彈性模型[3]，數(shù)值模型中，路堤、樁均采用4節(jié)點線性平面應(yīng)變四邊形單元CPE4，地下水位以上軟土地基采用4節(jié)點線性平面應(yīng)變四邊形單元CPE4，地下水位以下軟土地基采用4節(jié)點應(yīng)力-孔壓耦合單元CPE4P。土工格柵采用Truss單元離散，單元類型為T2D2。參數(shù)如表3所示。模型兩側(cè)約束x方向位移，模型底部約束x、y方向位移。地下水位在軟土地基-10m位置，地下水頂面孔隙水壓力pw=0，模擬自由排水邊界。

表3 樁承式路堤有限元模型中的材料參數(shù)

2.2 路基橫斷面荷載變化規(guī)律

2.2.1 樁長

樁的荷載分擔比Ep定義為由單樁所承擔的路堤荷載與單樁承載范圍內(nèi)的路堤總荷載之比，可以直觀地反映樁體的承載能力。圖2為樁長不同時荷載分擔比隨路堤高度變化曲線。

圖2 荷載分擔比隨路堤高度變化曲線

當樁長不同時，各計算模型的荷載分擔比變化規(guī)律類似，當填筑高度小于0.3m時，各試驗斷面的荷載分擔比均小于35%，此時單樁所承擔的路堤荷載近似等于樁帽按面積比分擔的上部荷載。當路堤填筑高度小于1.3m時，各計算模型的荷載分擔比隨填筑高度而增大。當路堤填筑高度大于1.3m后，荷載分擔比的增長速率明顯減小。說明隨著填土高度的增加，樁土差異沉降逐漸增大，土拱在較小的差異沉降下開始形成，并且能在一定的差異沉降下保持穩(wěn)定，因此荷載分擔比增長迅速。當路堤填筑高度大于1.3m后，荷載分擔比的增長速率明顯減小，說明隨著差異沉降的不斷發(fā)展路堤內(nèi)部逐漸形成穩(wěn)定的土拱結(jié)構(gòu)，荷載分擔比曲線最終趨于穩(wěn)定。

路肩處為邊坡臨空面，應(yīng)力狀態(tài)與路基中心處存在差異?？梢钥闯霎斕钪叨却笥?m后，路基中心處和路肩處的荷載分擔比開始出現(xiàn)差異，隨著填筑高度增加差異逐漸增大，當路堤填筑完成時路肩處的荷載分擔比明顯小于路基中心處[4-5]。其主要原因是，在路肩處除了受到由路堤自重而產(chǎn)生的豎向壓力，還受到路堤邊坡的橫向推力，受力狀態(tài)復(fù)雜。

2.2.2 樁間距

圖3為不同樁間距下，荷載分擔比隨路堤高度變化曲線。各計算模型的荷載分擔比變化規(guī)律類似，路堤填筑初期隨著路堤填筑高度的增加，由土拱效應(yīng)發(fā)揮而直接傳遞到樁頂上的荷載增加，當路堤高度較高時各計算模型荷載分擔比增長幅度減緩。對比各計算模型路基中心處荷載分擔比，可以看出當路堤填筑高度相同時，樁間距越小荷載分擔比越大。說明，當樁帽尺寸相同時，樁間距增大，單樁處理范圍增大，因此單樁承載范圍內(nèi)的路堤總荷載增加，樁體荷載分擔比減小。

圖3 荷載分擔比隨樁間距變化曲線

2.2.3 樁帽寬度

圖4為不同樁帽寬度下，荷載分擔比隨路堤高度變化曲線。各計算模型的荷載分擔比變化規(guī)律類似，在路堤填筑初期荷載分擔比迅速增加，隨著路堤填筑高度不斷增加荷載分擔比的增長幅度逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。對比各計算模型路基中心處荷載分擔比，當路堤填筑高度相同時，樁帽寬度越大荷載分擔比越大。路堤填筑完成，a=0.8m時路堤中心處荷載分擔比為57.5%。對比圖4，當路堤填筑完成，s=2.2時路堤中心處荷載分擔比為60%?？梢钥闯霎敇秲糸g距（s-a）相同時，樁帽較大的模型，荷載分擔比較大。因此在樁承式路堤設(shè)計中，當樁凈間距相同時，建議采用大樁帽設(shè)計，以承擔更多路堤荷載。

圖4 荷載分擔比隨樁帽寬度變化曲線

2.2.4 路堤高度

圖5為不同路堤高度下，路基中心處和路肩處荷載分擔比隨路堤高度變化曲線。從整體上看當路堤高度不同時，各計算模型路基中心處荷載分擔比變化規(guī)律基本相同。對比各計算模型路肩處荷載分擔比變化規(guī)律。當路堤填筑高度小于1.3m時各計算模型的荷載分擔比走勢基本相同，當填筑高度大于1.3m后，路肩處荷載分擔比略有增長當達到峰值后逐漸減小，由于不同模型路堤高度不同，路肩處的荷載分擔比差異較大。

圖5 荷載分擔比隨路堤高度變化曲線

綜上所述，增加樁長、樁帽寬度、路堤高度和減小樁間距都能提高單樁承載能力。從橫斷面荷載變化規(guī)律上看，路基橫斷面荷載分擔比變化規(guī)律與觀測點位置有關(guān)[6-7]，從路基中心向路肩方向，荷載分擔比逐漸減小，并且在路肩處荷載分擔比迅速下降。

3 小結(jié)

本文基于二維有限元模型，分析對比路基中心處、中心線右側(cè)和路肩處，路基表面土壓力變化規(guī)律以及寬域斷面路基橫斷面荷載變化規(guī)律。結(jié)果表明：①增加樁長、樁間距、路堤高度和減小樁帽寬度，都可以增加樁土差異沉降，并在一定程度上促進土拱效應(yīng)的發(fā)揮。②增加樁長、樁帽寬度、路堤高度和減小樁間距，都可以增大路堤荷載分擔比，提高單樁承載能力。③路基橫斷面荷載分擔比變化規(guī)律：從路基中心向路肩方向，荷載分擔比逐漸減小，并且在路肩處荷載分擔比迅速下降。