樁板結(jié)構(gòu)在地基處理中的應(yīng)用研究

毛瑩瑩

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

交通的快速發(fā)展離不開工程技術(shù)的快速發(fā)展,在我國(guó)沿海地區(qū)分布著大量的淤泥質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等軟土地基,目前常用的公路軟土路基處理方法又存在著工期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、造價(jià)高等缺點(diǎn),給交通工程的建設(shè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn),新型的軟土地基處理方法亟待研究。

近些年也有很多針對(duì)于軟土地基處理方法的研究,李媛媛[1]在分析了軟土地基性質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)不同固化劑在軟土地基處理中的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究,并以實(shí)際工程進(jìn)行了試驗(yàn)分析,其結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范的控制要求。陳繼彬等[2]對(duì)碎石樁在軟土地基處理時(shí)碎石樁參數(shù)與路基填筑臨界高度之間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,對(duì)碎石樁加固的地基處理計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn),推導(dǎo)出軟土地基厚度與樁間距之間的關(guān)系式。張星星[3]運(yùn)用PLAXIS對(duì)公路軟土地基的沉降進(jìn)行了研究,分析了不同的拋石厚度、寬度、模量等參數(shù)對(duì)路基沉降的影響程度,得到了工程最合理的軟土地基處理方案。羅良繁[4]梳理了各種軟土地基的處理方法,并在此基礎(chǔ)上對(duì)路基拼寬的設(shè)計(jì)問(wèn)題、深層及表層軟土的處理措施進(jìn)行了研究,對(duì)拼寬路基中路基的差異性沉降提出了針對(duì)性措施。朱湃[5]通過(guò)ANSYS對(duì)復(fù)合地基的多種處理方式中軟土地基泵站的動(dòng)力響應(yīng)情況進(jìn)行了研究,針對(duì)CFG樁、地下連續(xù)墻等組合形式開展分析,得到了對(duì)泵站地震影響最合理的組合形式。葛建東[6]對(duì)CFG樁在鐵路路基的加固方案中的特性、機(jī)理、沉降變形等進(jìn)行了研究,得到CFG樁的最佳布設(shè)形式。

目前,樁板結(jié)構(gòu)的路基處理一般應(yīng)用于對(duì)沉降控制較為嚴(yán)格的鐵路路基,在公路路基上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。因此,文章對(duì)軟土地基樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析,旨在推進(jìn)樁板結(jié)構(gòu)在公路路基上的應(yīng)用,為工程建設(shè)和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 作用原理

傳統(tǒng)的軟土地基處理方法可大致分為兩類:一類是換填,直接去除軟土對(duì)路基的影響范圍部分,方法簡(jiǎn)單,作用直接,但只適合軟土較淺的地基處理;另一類是通過(guò)打樁、預(yù)壓等方法,對(duì)現(xiàn)有較深的軟土進(jìn)行處理,一方面加快軟土的固結(jié),一方面成樁增加地基的承載性,達(dá)到地基處理的目的。樁板結(jié)構(gòu)是在樁的頂部澆筑一塊混凝土板,形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu),共同承擔(dān)來(lái)自上部路基的荷載,一方面板的加入能夠有效地將上部路基的荷載轉(zhuǎn)化為剛性荷載,使路基底部的差異性沉降減小,另一方面樁頂?shù)幕炷涟宄蔀槁坊囊环N擴(kuò)展基礎(chǔ),改變了原有路基與地基的荷載傳遞方式,而打入地底的樁又對(duì)地基起到了加筋作用,增強(qiáng)了土體的承載能力,最終達(dá)到減小路基沉降,提高地基承載力的目的。

2 工程概況

文章主要對(duì)樁板結(jié)構(gòu)加固的軟土地基進(jìn)行研究,參考實(shí)際工程的土層特性。在某高速的填方路基建設(shè)中,需穿越約長(zhǎng)度350m的軟土地層,樁號(hào)為K12+310.50～ K12+662.52,路線為南北走向。該路段地勢(shì)起伏較小,路基斷面頂寬為22m,高度為6m,采用坡率法進(jìn)行路基放坡,坡率為1:1.5。根據(jù)地勘報(bào)告,此處地基土為軟土,采用分層總和法計(jì)算,地基土1的沉降和路堤沉降總和大于30cm,不符合規(guī)范要求,現(xiàn)有的地基不能滿足直接填筑使用的要求,建議采取加固處理,圖1所示為K12+560處路基橫斷面。

圖1 K12+560橫斷面(單位:m)

根據(jù)地勘資料,該處軟土地基主要有2層,第一層為12m厚的粘性土,第二層為8m厚的粉質(zhì)黏土,綜合考慮填土高度與地基土的承載特性,在路基底部設(shè)置承載板,具體參數(shù)如下:承載板寬度設(shè)置雙側(cè)均大于坡腳1m,承載板厚度為20cm,承載板底部與樁連接,樁直徑為0.5m,樁的水平間距為5.5m,縱向間距為10m,樁長(zhǎng)為12m。

3 有限元模型建立與分析

3.1 模型的建立

有限元的模擬計(jì)算方法已經(jīng)在工程模擬研究中廣泛應(yīng)用,充分證明其模擬的可靠性和有效性。對(duì)實(shí)際工程的模擬關(guān)鍵是本構(gòu)模型的選取。Midas GTS有限元軟件能夠很好地對(duì)模型中的各種材料進(jìn)行模擬,適用性強(qiáng)。本次模型在本構(gòu)模型的選擇上,土層均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,承載板和樁則采用彈性本構(gòu)模型。本次建立模型為3D模型,尺寸為70m×20m×30m,其中各土層為3D單元,承載板為2D板單元,樁為1D梁?jiǎn)卧?。?duì)于路基填土采用分層的方式建立模型,用以模擬填土的分層填筑,每層間距1m,其中各個(gè)部件具體的尺寸與圖1一致。在網(wǎng)格劃分中,對(duì)填土部分的網(wǎng)格劃分為1m,地基土的網(wǎng)格劃分稍疏,為4m,承載板和樁的網(wǎng)格劃分為1m。參考地勘資料,建模如圖2所示,建模的材料參數(shù)如表 1所示。

圖2 有限元模型

表1 模型參數(shù)表

利用模型的便利性,考慮施工步驟流程,在模型建立后應(yīng)先對(duì)地層原始狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù),模擬重力場(chǎng)和邊界約束,在進(jìn)行地基加固和路基填筑,具體步驟如下:

(1)模擬地層重力場(chǎng),施加邊界約束,位移清零;

(2)實(shí)施地基處理,澆筑承載板和打樁;

(3)分層填筑路基,每層間隔為1m;

(4)模型最終的計(jì)算結(jié)果分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1路基變形分析

模擬施工填筑的過(guò)程,現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程中路基底面的變化情況進(jìn)行提取分析,由于模型呈對(duì)稱分布,以路基中線為橫軸0點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,如圖3所示。

圖3 填筑過(guò)程中路基底面豎向位移變化圖

圖3中填1～填6表示填筑第一層土到填筑第六層土的過(guò)程。從圖3中縱向分析,路基底面的豎向位移隨著填筑高度的增加而不斷增大,在路基中心處(X軸0點(diǎn))增幅最大,每層土增幅約1.8cm,最大值為10.4cm,總沉降小于30cm,滿足規(guī)范要求。這種情況說(shuō)明,在路基的填筑過(guò)程中,路基沉降最大處為路基中心處。從橫向分析,路基底面的豎向位移值隨距路基中心位置增大而逐漸減小,直至豎向位移變化值為0cm。路基填筑的坡腳位置為距路基中心線20m的位置,在此處的豎向位移沉降依舊在變化,直至距離路基中心處28m左右,路基底面的豎向位移為0,這種現(xiàn)象說(shuō)明,路基的豎向位移存在一定的影響區(qū)域,該區(qū)域的寬度在距離坡腳8m的范圍內(nèi)。

路基底部的水平位移情況在一定程度上反映了路基的穩(wěn)定性,現(xiàn)提取路基底面的水平位移數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 填筑過(guò)程中路基底面水平位移變化圖

由圖4的水平位移變化情況可以得出,在縱向上隨著路基填筑高度的增加,路基底面的水平位移值逐漸增大。路基底面的水平位移變化呈區(qū)域性變化,在距離路基中線20m范圍內(nèi),路基的水平位移變化曲線基本呈直線變化,該區(qū)域在路基填筑過(guò)程中的水平位移值變化很小,整個(gè)位移的變化幅度約0.2cm。而在20～40m范圍內(nèi),路基的水平位移變化呈先增大后減小的變化趨勢(shì),最大值出現(xiàn)在距離路基中線26m處,為1.1cm。這是因?yàn)槁坊撞砍休d板的作用,承載板的寬度超越坡腳1m,因此路基底面的水平位移值在距路基中線20m范圍內(nèi)變化很小,超過(guò)承載板范圍之后,路基底面的水平位移才相繼增大后減小。

對(duì)路基底面和頂面的豎直位移進(jìn)行對(duì)比分析,如圖5所示。

圖5 路基底面和頂面豎直位移變化圖

由圖5可知,路基底面和頂面的豎向位移值變化有所區(qū)別,路基底面的豎向位移值遠(yuǎn)大于路基頂面的豎向位移值,路基底面的豎向位移值最大為10.4cm,而路基頂面的豎向位移值最大為3cm,路基底面的豎向位移值隨路基中線距離的增加而逐漸減小,而路基頂面的豎向位移值變化較為平緩,各點(diǎn)數(shù)據(jù)相差較小,最大值與最小值之間僅相差0.3cm。這說(shuō)明承載板在與樁的共同作用下,對(duì)上部土體的支撐作用明顯,承載板與普通地基處理的褥墊層不同,相較于褥墊層,承載板的剛性較大,與樁鏈接過(guò)后形成一個(gè)整體,有利于降低路基頂面的差異性沉降。

3.2.2路基應(yīng)力分析

路基的應(yīng)力狀態(tài)反映了路基的受力情況,現(xiàn)對(duì)路基的豎向應(yīng)力進(jìn)行分析,圖6所示為地基處理前路基填筑后的豎向應(yīng)力云圖。

圖6 處理前豎向應(yīng)力云圖

由圖6可知,地基未處理前的路基填筑后整個(gè)模型的豎向應(yīng)力呈拱形,地基土在路基自重應(yīng)力下中部的應(yīng)力較大,兩側(cè)的較小,變化較為平順。地基處理后,路基填筑完成后的豎向應(yīng)力變化如圖7所示。

圖7 處理后豎向應(yīng)力云圖

對(duì)比分析圖6和圖7地基在處理前后的豎向應(yīng)力變化云圖,可見(jiàn)在地基處理后,地基在路基底部的豎向應(yīng)力相對(duì)平緩很多,在路基底部的豎向應(yīng)力呈水平層狀變化,與路基處理前的拱形層狀變化形成明顯的區(qū)別。這說(shuō)明樁板結(jié)構(gòu)作用下,路基對(duì)地基的豎向荷載傳遞更加均勻,承載板與建筑中的筏板結(jié)構(gòu)有類似作用,而樁對(duì)筏板起到了良好的支撐和荷載傳遞,改變了地基原有的應(yīng)力狀態(tài),有效地提高了地基的承載力。

3.2.3承載板應(yīng)力分析

對(duì)承載板的大主應(yīng)力進(jìn)行提取分析,如圖8所示。

圖8 承載板大主應(yīng)力云圖

由圖8可知,承載板的大主應(yīng)力最大值集中在板的中間部位,與樁頂?shù)慕佑|處的大主應(yīng)力值最大,樁與樁之間的板中應(yīng)力值較其他部位的大,這說(shuō)明承載板在受到上部路基豎向荷載時(shí),樁與樁之間的板承受的荷載最多,承載板與樁之間的荷載傳遞與接觸處密切相關(guān),應(yīng)在樁板設(shè)計(jì)時(shí)在樁板的連接處做加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

文章討論分析了樁板結(jié)構(gòu)在軟土路基處理中的應(yīng)用,通過(guò)Midas GTS有限元軟件對(duì)路基工程的模擬,分析了路基的變形、應(yīng)力等的變化規(guī)律,主要得到以下結(jié)論:

(1)樁板結(jié)構(gòu)在軟土地基的處理中是有效的,相對(duì)于傳統(tǒng)地基處理方法,板結(jié)構(gòu)的加入能夠有效地將上部路基的荷載轉(zhuǎn)化為剛性荷載,使路基底部的差異性沉降減小。

(2)路基底面的豎向位移隨著填筑高度的增加而增大,最大值為10.4cm,路基填筑對(duì)路基底面豎向位移的影響區(qū)域?yàn)?0～28m范圍。

(3)路基底面的水平位移值在0～20m范圍內(nèi)受路基填筑高度的影響很小,超過(guò)20m后在26m時(shí)達(dá)到最大值,為1.1cm。

(4)路基頂面的豎向位移值變化較路基底面的豎向位移值小,且較為平緩,這與地基處理前后路基與地基的豎應(yīng)力相關(guān),樁板結(jié)構(gòu)將路基荷載傳遞到地基,豎向應(yīng)力分布更加均勻,有利于減小路基頂面的豎向位移的差異性。

(5)承載板的大主應(yīng)力主要集中在樁與板的連接處,應(yīng)在樁板設(shè)計(jì)時(shí)在樁板的連接處做加強(qiáng)設(shè)計(jì)。