車輛荷載下的碎石樁復(fù)合路基動力響應(yīng)及參數(shù)影響分析

■秦晉芳

（山西長治公路勘察設(shè)計院有限公司，長治 046000）

道路工程建成通車之后會經(jīng)常承受車輛荷載的作用，不同于靜載作用，動載作用對路基的穩(wěn)定性影響更大。 相關(guān)學(xué)者對動載下的路基響應(yīng)進行了研究，主要有：王佳等[1]、李良英[2]以某雙向四車道公路路基為研究對象，采用有限元軟件建模的方法分析交通荷載作用下路基的動力響應(yīng)參數(shù)，結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下路基豎向動應(yīng)力影響深度為3 m 左右，路基頂面豎向動力隨車輪外緣距離增大而降低。韓振中等[3]、袁江雅[4]在振沖碎石樁加固基礎(chǔ)上，提出樁間距計算公式，并應(yīng)用于某路基工程中，結(jié)果表明該計算方法合理準(zhǔn)確，滿足方案設(shè)計要求。 劉人瑜等[5]、李正明等[6]以某高速公路碎石樁加固復(fù)合地基為研究對象，通過建立數(shù)值模型，分析了碎石樁加固路基實效原因，并基于數(shù)值模擬結(jié)果提出加固意見。 王強等[7]利用有限元軟件分析了移動荷載作用下瀝青路面受設(shè)計指標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的規(guī)律，研究表明，選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效降低瀝青路面動力響應(yīng)。 本文以某軟土路基處理為例，采用有限元軟件建立數(shù)值模型，探討車輛動載作用下采用碎石樁加固后地基的沉降變化規(guī)律，并著重分析相關(guān)參數(shù)的影響，研究結(jié)果可為軟基處理方案選擇提供借鑒。

1 工程概況

擬建道路工程穿越軟土層區(qū)，需要進行地基處理加固，采取碎石樁復(fù)合地基加固處理方法。 路基寬度和高度分別為28.0 m 和3.5 m， 路堤邊坡坡率為1∶1.5，在施工過程中采用分層鋪填并碾壓的施工方法。 碎石樁長為10 m，樁徑和樁間距分別為0.8 m和3.0 m。由于對稱性，選取以右半幅路堤進行研究，圖1 為路堤結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 半幅路堤結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值建模

采用大型有限元軟件ABAQUS 軟件建立數(shù)值模型圖，如圖2 所示。 路基的頂部寬度為14.0 m，高度為3.5 m，路堤坡底半幅寬度為19 m，模型長度和寬度分別為40 m 和10 m，高度為23.5 m，砂礫墊層厚度為0.3 m，中間夾鋪土工格柵，厚度為2 mm。碎石樁設(shè)計長度為10 m， 采用結(jié)構(gòu)單元進行模擬，樁間距為3 m，樁徑為0.8 m。 碎石樁采用實體模型建立，重度取26 kN/m3，泊松比取0.25，彈性模量取100 MPa。 模型均采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，除上邊界外其他邊界均進行位移約束。 表1 給出了各種材料的物理力學(xué)參數(shù)，路堤填土和砂礫墊層排水類型均為排水，其他為不排水。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

參考文獻[7]，將路面上的車輛荷載（速度60 km/h）假定為周期性變化的半波正弦荷載，通過加載在單元節(jié)點上的集中力實現(xiàn)，荷載在每個單元作用時間取0.015 s，如圖3 所示，半波正弦荷載表達式如下：

圖3 半波正弦荷載示意圖

式中：p 是車輛荷載，單位取kN；T 是荷載作用周期，單位取s。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 加固前后路基沉降對比分析

圖4 為靜載作用下采取處理措施前后地基沉降對比曲線，可知在靜載作用下，處理前后地基最大沉降值分別為11.3 mm 和8.3 mm，采用碎石樁加固后地基最大沉降值減小了約26%，說明靜載作用下，采用碎石樁加固軟土路基效果良好。

圖4 采取處理措施前后地基沉降對比曲線

3.2 車輛動載下的路基動力響應(yīng)及參數(shù)分析

路基在建設(shè)完成后經(jīng)常承受著車輛動載的作用，不同于靜載作用，動載作用對路基影響更大，因此，研究參數(shù)變化對路基動載響應(yīng)的影響具有重要意義，以下將分別對土工格柵、樁身模量、樁長和樁徑的影響進行分析。

3.2.1 土工格柵加筋效果分析

圖5 為土工格柵對路基豎向位移影響曲線，由圖可知，車輛荷載下，相比于無土工格柵，有土工格柵后路基的最大沉降量降低，且不均勻沉降幅度減小，有利于保證土體結(jié)構(gòu)的整體性和抗裂性。

圖5 土工格柵對路基豎向位移影響曲線

圖6 為有無土工格柵時路基豎向應(yīng)力云圖，由圖可知，施作土工格柵后，車輛荷載下路基應(yīng)力發(fā)生重分布現(xiàn)象，應(yīng)力的分布更加均勻，有效減小了樁體附近應(yīng)力集中現(xiàn)象，更利于路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖6 有無土工格柵時路基豎向應(yīng)力云圖

圖7 為土工格柵對路基豎向應(yīng)力影響曲線，由圖可知，采用土工格柵加筋之后，土體的應(yīng)力分布較之前更加均勻，土工格柵的存在使得上部車輛荷載更加均勻的傳遞到樁體中，尤其在車輛作用位置處，當(dāng)采用土工格柵之后，應(yīng)力隆起現(xiàn)象得到明顯改善。

圖7 土工格柵對路基豎向應(yīng)力影響曲線

3.2.2 樁身模量影響分析

為了分析樁身模量的影響，圖8 給出了樁體壓縮模量取50 MPa、100 MPa 和150 MPa 時的路基豎向位移， 由圖可知， 樁體壓縮模量取50 MPa、100 MPa 和150 MPa 時對應(yīng)的路基最大沉降值分別為14.92 mm、13.13 mm 和11.89 mm，相較于樁體壓縮模量取50 MPa 時，樁體壓縮模量取100MPa和150MPa 時豎向沉降減小了12.0%和20.3%，說明通過增大樁體壓縮模量，可以有效減小路基的位移。

圖8 樁身模量對路基豎向位移影響曲線

圖9 為樁身模量取50 MPa 和150 MPa 時路基豎向應(yīng)力云圖，由圖可知，隨著樁身壓縮模量的增大，車輛荷載下路基的豎向應(yīng)力增大，對應(yīng)的路基承載力也增大。

圖9 不同樁身模量時路基豎向應(yīng)力云圖

圖10 為樁身模量對路基豎向應(yīng)力影響曲線，由圖可知，樁身模量變化前后，路基豎向應(yīng)力變化規(guī)律基本不變，隨著樁身壓縮模量的增大，路基豎向應(yīng)力逐漸增大，這有利于提高路基的承載力。 究其原因，主要是隨著樁身模量的增大，地基的沉降和路基的不均勻沉降減小。

圖10 樁身模量對路基豎向應(yīng)力影響曲線

3.2.3 樁長影響分析

為了分析樁長的影響， 給出了樁長取8 m、10 m和12 m 時的路基豎向位移， 如圖11 所示。 由圖可知， 樁長取8 m、10 m 和12 m 時對應(yīng)的路基最大沉降值分別為16.05 mm、15.02 mm 和14.56 mm， 相較于樁長取8 m 時， 樁長取10 m 和12 m 時時豎向沉降減小了6.4%和9.3%， 說明通過增大樁體壓縮模量，可以一定程度上減小路基的位移，這是因為增加樁長可以有效增強樁與土體的擠密作用， 使得路基整體性更好。 但是，也要考慮到樁長具有有效加固長度，超出一定長度后，路基沉降降低效果不明顯。

圖11 樁長對路基豎向位移影響曲線

圖12 為樁長取8 m 和12 m 時路基豎向應(yīng)力云圖，由圖可知，隨著樁長的增大，車輛荷載下樁身側(cè)摩阻力增大，路基的豎向壓應(yīng)力增大，減小了樁端阻力作用，防止樁身刺入量過大。

圖12 不同樁長時路基豎向應(yīng)力云圖

圖13 為樁長對路基豎向應(yīng)力影響曲線， 由圖可知，樁長變化前后，路基豎向應(yīng)力變化規(guī)律發(fā)生變化，隨著樁長的增大，路基豎向壓應(yīng)力增大，同時分布變得更加均勻，但當(dāng)樁長過大時，處理效果和經(jīng)濟效益將會降低。 因此，在工程中要合理的選擇樁長，以達到工程成本經(jīng)濟的目的。

圖13 樁長對路基豎向應(yīng)力影響曲線

3.2.4 樁徑影響分析

為了分析樁徑的影響， 給出了樁徑取0.6 m、0.8 m 和1.0 m 時的路基豎向位移， 如圖14 所示。由圖可知， 樁徑取0.6 m、0.8 m 和1.0 m 時對應(yīng)的路基最大沉降值分別為15.31 mm、15.20 mm 和14.26 mm，相較于樁徑取0.6 m 時，樁徑取0.8 m 和1.0 m 時時豎向沉降減小了0.72%和6.9%， 說明通過增大樁徑，路基沉降將降低，但控制作用不明顯。

圖14 樁徑模量對路基豎向位移影響曲線

圖15 為樁徑取0.6 m 和1.0 m 時路基豎向應(yīng)力云圖，由圖可知，隨著樁徑的增大，樁體對原狀土的置換率也對應(yīng)增大，從而增大了復(fù)合地基的承載力，圖15（b）的路基最大豎向壓應(yīng)力要比15（a）增大了21.4%。

圖15 不同樁徑時路基豎向應(yīng)力云圖

圖16 為樁徑對路基豎向應(yīng)力影響曲線， 由圖可知，樁徑變化前后，路基豎向應(yīng)力變化規(guī)律基本不變，隨著樁徑的增大，路基豎向應(yīng)力逐漸增大，尤其是當(dāng)樁徑由0.6 m 增至0.8 m 時， 路基豎向壓應(yīng)力增加較為明顯。 在實際工程中，當(dāng)樁體總量不變時，樁徑的增大可以有效減小樁間距，同時增大樁端承載能力，使得樁體承載更多的上部動載，從而減小路基沉降，增大路基整體穩(wěn)定性，但同時也要注意到， 樁徑增大到一定程度后會引起群樁效應(yīng)，應(yīng)合理設(shè)計樁徑以實現(xiàn)預(yù)期效果。

圖16 樁徑對路基豎向應(yīng)力影響曲線

4 結(jié)論

本文以某軟土路基處理為例，采用有限元軟件建立數(shù)值模型，探討了車輛動載作用下采用碎石樁加固后地基的沉降變化規(guī)律，并重點分析了相關(guān)參數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：（1）采用碎石樁加固之后地基最大沉降值減小了約26%， 說明靜載作用下，采用碎石樁加固軟土路基效果良好；（2）采用土工格柵加筋后，車輛荷載下土體沉降降低，應(yīng)力分布較之前更加均勻，尤其在車輛作用位置處，當(dāng)采用土工格柵后，應(yīng)力隆起現(xiàn)象得到明顯改善；（3）隨著樁身壓縮模量的增大，路基的整體沉降、地基和路基的不均勻沉降均減小， 路基豎向應(yīng)力逐漸增大，有利于提高路基的承載力；（4）隨著樁長的增大，路基豎向壓應(yīng)力增大，同時分布變得更加均勻，但當(dāng)樁長過大時，處理效果和經(jīng)濟效益將會降低，在工程中要合理的選擇樁長，以達到工程成本經(jīng)濟的目的；（5）樁徑的增大可以有效減小樁間距，使得樁體承載更多的上部動載，從而減小路基沉降，增大了復(fù)合地基的承載力，但樁徑增大到一定程度后會引起群樁效應(yīng)顯現(xiàn)，工程中應(yīng)合理的設(shè)計樁徑以實現(xiàn)預(yù)期效果。