軟基粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治模擬分析

張勁橋

（山西路橋第六工程有限公司，山西晉中 030600）

0 引言

為緩解交通壓力，提升運(yùn)輸能力，近年來我國很多高速公路相繼開展改擴(kuò)建項(xiàng)目。在路基改擴(kuò)建施工過程中，施工會(huì)對(duì)新舊路基產(chǎn)生擾動(dòng)[1]，在施工期間和工后產(chǎn)生不同程度的差異沉降，尤其是軟土地基路段沉降更為明顯。差異沉降會(huì)導(dǎo)致新舊路基產(chǎn)生縱向開裂[2]，因此必須采取措施對(duì)軟基進(jìn)行有效加固。結(jié)合以往的公路改擴(kuò)建項(xiàng)目軟土地基處治經(jīng)驗(yàn)[3-4]，對(duì)粉噴樁聯(lián)合塑料排水板軟基處治效果進(jìn)行分析。利用有限元分析軟件建立數(shù)值模型，對(duì)公路軟基加寬路段的變形進(jìn)行模擬分析，確定處治效果，可為一線施工提供參考。本文結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程軟基處治案例，利用有限元分析軟件建立粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治軟基數(shù)值模型，對(duì)新路基施工期間和完工后的變形進(jìn)行模擬分析，確定路基加固方案的合理性。

1 高速公路單側(cè)加寬軟基加固方案

1.1 工程簡介

某高速公路路基原設(shè)計(jì)寬度為26 m，采用雙向四車道設(shè)計(jì)。近年來由于交通量迅速增加，日常運(yùn)營過程中經(jīng)常出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，擬開展改擴(kuò)建工程。加寬后路基寬度為42 m，采用雙向八車道設(shè)計(jì)，根據(jù)道路沿線地形、地質(zhì)情況調(diào)查結(jié)果，沿線采用雙側(cè)或單側(cè)加寬的方式。K26+315—K26+415 段作為試驗(yàn)路段，該路段原路基高度為6 m，路基邊坡坡度為1∶1.5，地基土上部為淤泥質(zhì)黏土，厚度為13 m，下部為密實(shí)砂土。該施工路段地下水埋深較淺，個(gè)別路段僅為1 m。

1.2 軟基粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案

由于單側(cè)加寬對(duì)路基沉降的影響更大，本文選單側(cè)加寬路段作為研究對(duì)象，采用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板對(duì)軟基進(jìn)行處治。路基拓寬路段軟土地基初步擬定3 種處治方案：方案一采用全幅塑料排水板處治；方案二采用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治，其中粉噴樁靠近舊路基，塑料排水板靠近新路基邊坡，這種布置形式可降低施工對(duì)原路基的擾動(dòng)。試驗(yàn)路段粉噴樁設(shè)計(jì)樁長為14 m，穿過上部軟土并深入下部密實(shí)砂土層1 m；方案三為全幅粉噴樁處治。粉噴樁設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m，樁間距為1.3 m，采用方形布置。塑料排水板尺寸為100 mm×4 mm，長度為14 m，穿過淤泥質(zhì)黏土層，布置間距也為1.3 m，仍采用方形布置。新路基填筑施工前，在地基頂部鋪設(shè)0.5 m 厚砂墊層，一方面有利于路基橫向排水，另一方面可以協(xié)調(diào)樁土荷載。由于方案二與方案三模擬計(jì)算結(jié)果十分接近，因此本文取方案一和方案二計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究。

2 有限元模型建立

利用有限元軟件建立有限元數(shù)值模型。模型建立過程中縱向取1.3 m 作為計(jì)算域，橫向?qū)挾热?00 m，淤泥質(zhì)黏土層厚度為13 m，下部密實(shí)砂土層厚度取5 m，以合理確定模型邊界條件，降低影響。有限元模型建立過程中將所有土層看作Mohr-Coulomb 材料，粉噴樁模擬采用實(shí)體置換的方式，數(shù)值模擬計(jì)算過程中將粉噴樁視為理想線彈性體，粉噴樁與上下土層的界面強(qiáng)度系數(shù)取值為0.65，各土層與粉噴樁計(jì)算參數(shù)如表1所示。塑料排水板采用軟件內(nèi)嵌的方式，在模型中置入“排水線”單元模擬，假定孔隙水壓力為零，粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案路基模型如圖1 所示。

圖1 路基模型示意圖（單位：m）

表1 各土層與粉噴樁計(jì)算參數(shù)

模型邊界條件為：左右兩側(cè)x方向位移約束，不排水；模型前后兩側(cè)y方向位移約束，不排水；模型底部各向位移均約束、排水；模型頂部自由，排水。

假定原路基是一次性修筑完成，建設(shè)時(shí)間為360 d，建成9 年后進(jìn)行改擴(kuò)建施工。按原路基參數(shù)計(jì)算初始應(yīng)力，重置路基各向位移為零，以便于計(jì)算新路基施工過程中產(chǎn)生的位移。假設(shè)新建路基分6 層填筑，第1 層厚度為1 m，包括0.5 m 厚砂墊層和0.5 m 厚填土；第2層—第6 層單層厚度均為1 m，單層施工時(shí)間為30 d。新建路基填筑完成后，再次重置路基各向位移為零，以便于計(jì)算工后路基沉降。

3 新路基變形計(jì)算結(jié)果分析

3.1 新路基施工期間變形計(jì)算結(jié)果分析

3.1.1 路基豎向位移計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)新路基下部地基一半寬度采用粉噴樁處理，靠近路基邊坡的一半地基采用塑料排水板進(jìn)行處治，采用有限元軟件模擬計(jì)算路基填筑施工過程中的地基豎向位移，得出地基土體豎向位移變化曲線如圖2 所示。

圖2 路基填筑施工期間舊路基頂面豎向變形曲線

分析圖2 所示曲線變化趨勢(shì)，可以得出隨新路基填筑層數(shù)的增加，舊路基表面豎向位移也隨之增加，其中靠近舊路基左側(cè)路肩一側(cè)有向上的豎向位移，遠(yuǎn)離左側(cè)路肩一側(cè)豎向位移方向向下，產(chǎn)生了一定幅度的沉降?？拷侣坊呐f路基頂面豎向沉降較大，距新路基較遠(yuǎn)的舊路基頂面豎向位移較小，且存在豎向位移的方向也有所改變。通過對(duì)比分析，采用全幅塑料排水板處治的舊路基頂面豎向位移更大，這是由于粉噴樁靠近舊路基，起到了良好的過渡作用，大大降低了新路基施工過程中對(duì)舊路基的擾動(dòng)，也減少了對(duì)路基豎向位移的影響范圍，因此應(yīng)優(yōu)先選用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案。

為進(jìn)一步研究新舊路基結(jié)合部位的沉降變形，取新舊路基中心線位置的沉降與新舊路基結(jié)合部位沉降的差值計(jì)算路基頂面橫坡，繪制新路基施工過程中路基橫坡變化曲線如圖3 所示。

圖3 新路基施工期間路基橫坡變化曲線

分析圖3 所示曲線變化趨勢(shì)，可以得出隨新路基填筑層數(shù)的增加，路基橫坡呈非線性增加。計(jì)算得出的采用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治路基橫坡最大值為0.76%，而采用全幅塑料排水板處治路基橫坡度最大值為1.43%，說明產(chǎn)生的差異沉降更大，進(jìn)一步說明了選用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案更為合理。

3.1.2 土體水平位移計(jì)算結(jié)果分析

在新路基填筑施工期間，對(duì)新舊路基結(jié)合部位坡腳地基的水平位移進(jìn)行計(jì)算，得出不同深度坡腳位移變化曲線如圖4 所示。

圖4 新舊路基結(jié)合位置坡腳地基水平位移變化曲線

分析圖4 所示曲線變化趨勢(shì)，可以得出上層淤泥質(zhì)黏土層水平位移變化較大，而下層密實(shí)砂土層水平位移很小。隨著新路基填筑層數(shù)的增加，淤泥質(zhì)黏土層最初水平位移變化方向是向舊路基一側(cè)，填筑第5遍和第6 遍水平位移方向轉(zhuǎn)向新路基一側(cè)。而全幅采用塑料排水板處治水平位移均向舊路基一側(cè)，且舊路基存在橫向變形的風(fēng)險(xiǎn)。因此，考慮到新路基施工后對(duì)舊路基的擾動(dòng)影響，粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案更為合理。

3.2 新路基工后豎向位移預(yù)測(cè)結(jié)果分析

該高速公路設(shè)計(jì)使用壽命為15 年，根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果得出新路基工后前3 年路基豎向位移較大，按照上述變形規(guī)律通過有限元軟件對(duì)15 年內(nèi)的路基豎向位移進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文取1 年、2 年、3 年、7 年和15年豎向位移計(jì)算結(jié)果作為研究對(duì)象，分析新路基工后豎向位移的變化規(guī)律。利用有限元軟件采用分步增量法對(duì)新路基各部位工后豎向位移進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)路基的變形情況（如圖5）。

圖5 新舊路基工后豎向位移變化曲線

分析圖5 新路基工后路基豎向位移預(yù)測(cè)結(jié)果，得出新舊路基結(jié)合部位附近豎向位移越來越大，且隨著距離的增加豎向位移減小。采用全幅塑料防水板處治方案新、舊路基豎向位移變化曲線大體呈“V”字形，豎向位移最大處出現(xiàn)在新舊路基結(jié)合位置。采用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案豎向位移最大位置向左側(cè)路基移動(dòng)，大概出現(xiàn)在距左側(cè)路肩23 m 位置，分析原因是采用粉噴樁進(jìn)行加固，新舊路基結(jié)合位置路基穩(wěn)定性提高。另外，采用全幅塑料防水板處治方案路基豎向位移最大值為56.24 mm，而采用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案路基豎向位移最大值為33.67 mm，說明方案二較方案一可明顯降低工后沉降，提高路基的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

為合理確定高速公路改擴(kuò)建工程中軟基處治方案，以高速公路拓寬改造工程為案例背景，采用有限元軟件對(duì)采用不同軟基處治方案新舊路基施工期間和工后變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

a）隨新路基填筑層數(shù)的增加舊路基頂面豎向位移也增加，且采用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板方案較全幅塑料排水板方案所產(chǎn)生的豎向位移更小，新路基施工期間路基橫坡變化也較小，這是由于粉噴樁加固降低了路基施工對(duì)舊路基的擾動(dòng)。

b）在淤泥質(zhì)黏土層水平位移較大，密實(shí)砂土層水平位移很小，且采用全幅塑料排水板處治舊路基存在橫向變形風(fēng)險(xiǎn)，因此取粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案更為合理。

c）工后采用全幅塑料防水板處治方案路基豎向位移最大值為56.24 mm，出現(xiàn)在新舊路基結(jié)合位置，而采用粉噴樁聯(lián)合塑料排水板處治方案路基豎向位移最大值為33.67 mm，出現(xiàn)在距左側(cè)路肩約23 m 位置，進(jìn)一步說明采用方案二更為合理，路基的整體穩(wěn)定性更高。