公路擴(kuò)建剛性樁和豎向土工材料加固研究

豐土根，王路博，宋海洋，陳　陽，胡　松

(1.河海大學(xué)　巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇　南京　210098；

2.河海大學(xué)　巖土工程研究所，江蘇　南京　210098)

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公路擴(kuò)建剛性樁和豎向土工材料加固研究

豐土根1,2，王路博1,2，宋海洋1,2，陳陽1,2，胡松1,2

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；

2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京210098)

摘要：為控制軟土地基公路拓寬工程中新舊路堤的差異沉降，提出一種新的軟土地基處理方式，即綜合應(yīng)用剛性樁和豎向土工材料進(jìn)行公路拓寬地基處理。為把握路堤荷載作用下綜合應(yīng)用剛性樁和豎向土工材料加固直接拼接方式的拓寬路堤工作性狀，應(yīng)用FLAC3D建立三維分析模型。通過數(shù)值模擬計(jì)算，從加固前后路堤的沉降、地基側(cè)向位移和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了分析研究。計(jì)算結(jié)果表明：剛性樁和豎向土工材料的綜合應(yīng)用能夠有效控制地基土體側(cè)向位移，從而能夠減小新老路基的總體沉降和路堤頂面的差異沉降，加固效果明顯。

關(guān)鍵詞：公路擴(kuò)建；土工材料；剛性樁；側(cè)向變形；數(shù)值分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，既有交通網(wǎng)絡(luò)的通行壓力日漸增大，針對這一現(xiàn)狀，對現(xiàn)有公路網(wǎng)進(jìn)行改擴(kuò)建已成為大勢所趨，高速公路的拓寬方式有直接加寬和分離式加寬兩種方式。在我國截至目前的高速公路擴(kuò)建工程中，大部分采用的是直接加寬方式。高速公路擴(kuò)建過程中，新建路堤地基需進(jìn)行處理，以避免新舊路堤之間產(chǎn)生過大的差異沉降，進(jìn)而影響道路行車安全和路堤整體穩(wěn)定性[2-4]?，F(xiàn)有的路堤加寬處理方式主要有：一是通過對加寬路堤地基進(jìn)行加固，從而提高其豎向承載能力；二是通過提高新舊路堤的整體性或者降低新建路堤的自重，以降低新舊路堤差異沉降[5-13]。針對軟土地基中的高速公路擴(kuò)建工程，章定文[14]、楊濤[15]等提出了應(yīng)用剛性隔離墻進(jìn)行地基加固，控制地基土側(cè)向變形，改變地基附加應(yīng)力分布，并控制新舊路堤不均勻沉降和老路堤坡比變化值，但此方法實(shí)際應(yīng)用存在較大局限性。本文提出了一種綜合應(yīng)用剛性樁和豎向土工材料的地基加固方式，以某軟土地基高速公路擴(kuò)建工程為例，采用三維有限差分方法分析了該方法的適宜性，并對地基土的變形特性進(jìn)行了深入分析，證明了該處理方法的合理性，為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1計(jì)算模型建立

應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件建立分析模型，老路堤高度為5m，頂寬28m，雙側(cè)加寬，單側(cè)新建路堤寬度為7.5m，新老路堤邊坡坡度均為1：1.5，新舊路堤之間采用挖臺階處理方式以提高路堤整體性。地基土由上到下分別為20m淤泥質(zhì)粘土、30m中細(xì)砂土，最下層為全風(fēng)化巖石，路堤和地基剖面如圖1。利用對稱性，取一半?yún)^(qū)域進(jìn)行分析，模型水平向取100m，模型豎向取50m，三維模型前后斷面間距6m。

分析過程中，路堤土和地基土均采用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-CouIomb屈服準(zhǔn)則，剛性樁采用線彈性本構(gòu)模型，土工材料應(yīng)用模擬程序內(nèi)置的土工格柵結(jié)構(gòu)單元，剛性樁和地基土體之間設(shè)置接觸面，具體材料參數(shù)詳見表1。

模擬軟件內(nèi)置的土工格柵結(jié)構(gòu)單元的力學(xué)性能可以分成格柵材料的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和格柵構(gòu)件與網(wǎng)格的交互作用方式。在作用過程中假設(shè)格柵一直保持彈性狀態(tài)，并且只在交界面發(fā)生破壞，同時假設(shè)土工格柵材料為各向同性。其中格柵結(jié)構(gòu)單元的材料參數(shù)參考FLAC3D用戶手冊進(jìn)行取值，具體參數(shù)詳見表2。

模型邊界條件為：左右側(cè)與前后側(cè)水平方向約束，豎向自由；底部邊界水平和豎直方向均為固定約束；其他邊界自由。舊路堤地基采用剛性樁進(jìn)行地基處理，在路堤填筑過程中底層設(shè)置土工聚合物加筋墊層，其中設(shè)定剛性樁間距為3m，樁徑為60cm。新建路堤采用剛性樁和豎向土工材料進(jìn)行地基處理，剛性樁間距為3m，樁徑為60cm，豎向土工材料平行道路中心線沿道路方向通常布置，靠近剛性樁布置，并將豎向土工材料兩端固定于模型前后斷面，新建地基處理示意圖如圖2，其中上部分為斷面圖，下部分為地基處理俯視圖。

表1路堤土、地基土以及剛性樁模型參數(shù)

表2　土工格柵結(jié)構(gòu)單元和界面參數(shù)參數(shù)

2模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中應(yīng)用FLAC3D建立的模型正確性，采用文獻(xiàn)[15]中的地基和路堤材料參數(shù)進(jìn)行本文模型的正確性驗(yàn)證。將本文中模型賦予文獻(xiàn)[16]中B類地基的路堤和地基的材料參數(shù)，同時地基土的分層情況也參考文獻(xiàn)[16]進(jìn)行設(shè)置，并對路堤擴(kuò)建部分采用水平分層填筑，進(jìn)行模擬計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，可以得出公路擴(kuò)建引起地基表面的附加沉降，并與文獻(xiàn)[16]中圖6(b)進(jìn)行顯示的結(jié)果進(jìn)行比較，可得兩者的計(jì)算結(jié)果較為吻合，如圖3所示，證明了本文中模型的正確性。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　豎向沉降分析

圖4給出了地表附近地基土豎向沉降曲線，表明在深厚軟土情況下，單純應(yīng)用剛性樁進(jìn)行新建路堤地基加固時對豎向沉降的控制作用較為有限，并且隨著樁長的增加，路基沉降的改善效果沒有明顯提高。因?yàn)樵谏詈褴浲恋鼗闆r下，經(jīng)過延長之后剛性樁底端如仍不能接觸到持力層，在新建路堤荷載作用下，剛性樁會與軟土同時發(fā)生沉降，故改良效果并不理想。

圖4與文獻(xiàn)[17]中的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，兩者的地基表面豎向沉降變化趨勢相近，進(jìn)一步說明本文三維分析模型的合理性。

圖5給出了剛性樁長為8m情況下，豎向土工材料植入深度不同時，地表附近地基土豎向沉降曲線，表明當(dāng)綜合應(yīng)用剛性樁和豎向土工材料進(jìn)行地基加固時，兩種材料的協(xié)同作用能夠很好的限制地基土豎向沉降，并且能在很大程度上控制路堤中心線處的豎向沉降。隨著豎向土工材料植入深度的增加，豎向沉降會有明顯減小的趨勢，當(dāng)植入深度為6m時，豎向沉降最大值能夠比僅只應(yīng)用8m剛性樁時降低70%以上，并且使得整個公路拓寬工程對地基橫向影響范圍也大大的縮小，加固效果顯著。

圖6給出了當(dāng)樁長為8m時，豎向土工材料植入深度不同時，路堤頂面豎向沉降曲線。當(dāng)拓寬部分地基不處理時的路堤頂面差異沉降為15cm，并且沉降最大值發(fā)生在加寬路堤路肩處，綜合應(yīng)用剛性樁和豎向土工材料進(jìn)行加固后，不僅差異沉降會顯著降低，沉降最大值會明顯向道路中心線移動，對抑制裂縫和保證行車安全十分有利[18]。

3.2　地基側(cè)向變形分析

圖7給出了新建路堤邊坡坡腳處側(cè)向位移隨深度的變化情況，表明僅應(yīng)用剛性樁對地基土的側(cè)向變形限制作用有限，并且側(cè)向位移最大值隨著樁長的增加會有向下移動的趨勢，分析可知剛性樁只對樁附近土體有一定的限制作用，對樁間地基土側(cè)向變形的限制作用有限。由于剛性樁對路堤荷載的豎向傳遞作用，側(cè)向變形的最大值隨著樁長的增加有向下移的趨勢，但是從圖7可知側(cè)向變形的總量變化有限。并且側(cè)向變形在深度達(dá)到25m以上時趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值與剛性樁長并沒有明顯關(guān)系。

圖8給出了剛性樁長為12m時，應(yīng)用豎向土工材料情況下，新建路堤邊坡坡腳處側(cè)向位移隨深度的變化情況，本圖表明豎向土工材料的植入對地基土土體側(cè)向變形有顯著影響，植入豎向土工材料不僅能夠較大程度上減小側(cè)向變形，同時側(cè)向變形最大值隨著土工材料植入深度的增加有上移趨勢，且深度25m以下側(cè)向變形穩(wěn)定值會有明顯的減小。

文獻(xiàn)[10]中，應(yīng)用FLAC3D分析二維彈塑性模型得出的地基土體側(cè)向變形趨勢與圖6所示相近，并且模擬表明剛性樁底端進(jìn)入持力層后，地基土體側(cè)向變形會有十分顯著的減小。

剛性樁和豎向土工材料共同作用，豎向土工材料能夠在樁間限制地基土的側(cè)向變形，剛性樁起到側(cè)向支撐土工材料的作用，兩者協(xié)同作用能夠很好限制側(cè)向變形，控制深度并不僅局限于豎向土工材料植入深度范圍，整個模型觀察范圍內(nèi)地基土的側(cè)向變形會有整體上的減小，并且隨著植入深度的增加，控制效果愈加明顯，但施工時須考慮到施工難度和經(jīng)濟(jì)因素，并不能單純考慮處理效果，豎向土工材料植入深度應(yīng)視情況而定。

3.3　路堤穩(wěn)定性

圖9給出了樁長為12m時，地表附近地基土豎向沉降的分布情況，表明在未處理情況下，沉降最大值出現(xiàn)在新建路堤截面形心處，應(yīng)用剛性樁并植入豎向土工材料之后，加寬部分路堤底面的豎向沉降得到了有效的控制，沉降最大值會向路堤中心線移動，當(dāng)豎向土工材料植入深度達(dá)到4m以上時，最大沉降會發(fā)生在原路堤上，對邊坡穩(wěn)定有利[19]。同時從圖5中可以看出，由于豎向土工材料的植入，使得路堤沉降最大值向路堤中心移動，同樣有利于邊坡的穩(wěn)定性。

4關(guān)于施工方法

本文的地基處理方法是針對軟土地基提出的，主要是因?yàn)樵诘鼗翞榉擒浲習(xí)r植入豎向土工材料有一定的難度，并且會對原狀土有較大的擾動，造成豎向土工材料對地基土側(cè)向變形的限制作用會受到嚴(yán)重影響，故軟土地基宜使用該地基處理方式。以下針對軟土地基的施工方法進(jìn)行概述。

豎向土工材料的植入深度應(yīng)根據(jù)沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)和土質(zhì)情況確定。豎向土工材料做成設(shè)計(jì)尺寸，并沿道路方向進(jìn)行豎向插入，并保證接頭部位連接牢固。

通過專門的施工機(jī)械(與塑料排水板植入機(jī)械類似)將豎向土工材料植入到預(yù)定深度，施工過程中如果遇到孤石等特殊地質(zhì)情況，應(yīng)及時暫停施工，處理完成之后再繼續(xù)進(jìn)行施工。并且在施工中應(yīng)注意施工速度，通過試驗(yàn)段施工確定最佳的施工速度，的確保豎向土工材料不致被拉壞。

一定區(qū)段的豎向土工材料施工完成之后，應(yīng)將豎向土工材料沿縱向進(jìn)行拉緊處理，使土體在發(fā)生側(cè)向變形時，豎向土工材料能夠充分發(fā)揮限制作用。

豎向土工材料施工完成之后，進(jìn)行剛性樁施工，剛性樁宜采用預(yù)制混凝土樁，靠近豎向土工材料打入，保證兩者能夠協(xié)同作用，并應(yīng)避免剛性樁的施工破壞豎向土工材料。

豎向土工材料和剛性樁施工完成后，進(jìn)行路堤填筑，并做好對變形的監(jiān)控工作。

5結(jié)論

1)綜合應(yīng)用剛性樁和豎向土工材料加固直接拼接的高速公路加寬工程軟土地基，可顯著減小新老路堤的沉降，并能夠很好的控制路堤頂面的差異沉降，保證行車安全。路堤底面的沉降最大值因植入豎向土工材料會向路堤中心線移動。

2)綜合應(yīng)用剛性樁和豎向土工材料進(jìn)行加寬工程軟基加固時，能夠明顯的降低剛性樁之間路堤地基土的側(cè)向變形，并且控制范圍并不僅局限于豎向土工材料的植入深度內(nèi)，能夠達(dá)到通過控制地基土的側(cè)向變形以降低地基土豎向沉降的目的。

3)在實(shí)際工程中，針對差異沉降的控制要求和不同的土質(zhì)條件，可以通過應(yīng)用現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬確定經(jīng)濟(jì)合理的豎向土工材料植入深度。

4)通過模擬計(jì)算已經(jīng)驗(yàn)證該地基處理方法的有效性，施工方法和施工工藝還有待通過實(shí)際現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步細(xì)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘國強(qiáng).高速公路改擴(kuò)建工程中路基加寬方式及其特點(diǎn)綜述.公路工程，2007，32(5)：34-38.

[2]BJERRUML.Embankmentonsoftground:ProceedingoftheASCESpecialtyConferenceonEarthandEarth—SupportedStructures.PurdueUniversity，2010(2)：81-118.

[3]LOGANATHANN，BALASUBRAMANIAMAS，etal.Deformationanalysisofembankments.JournalofGeotechnicalEngineering，1993(119)：1185-1206.

[4]聶鵬，曲向進(jìn).沈大高速公路改擴(kuò)建工程路基加寬容許工后不均勻沉降指標(biāo)研究.公路交通科技，2005，22(11)：18-20.

[5]王斌.高速公路拼接段沉降變形特性及地基處理對策研究.南京:河海大學(xué)，2004.

[6]曾國熙.垂直荷載下軟粘土地基的側(cè)向變形.浙江大學(xué)學(xué)報，1962(1)：93-124.

[7]高成雷，凌建明.舊路拓寬地基差異沉降形成機(jī)理及控制對策.公路交通科技，2008，25(5):28-33.

[8]尉世銘.土工加筋技術(shù)在高速公路路基加寬中的應(yīng)用研究.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2014.

[9]張軍輝.不同軟基處理方式下高速公路加寬工程變形

特性分析.巖土力學(xué),2011，32(4):1216-1222.

[10]張磊.拓寬路基變形數(shù)值分析.上海:上海交通大學(xué),2009.

[11]吳拓，李國維，石磊.佛開高速公路拓寬工程帶帽CFG樁軟基加固數(shù)值分析.公路，2012(2)：63-67.

[12]晏莉，陽軍生，高燕希，等.土工合成材料處治老路路基拓寬的數(shù)值分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(8)：1670-1675.

[13]李利飛，謝方媛，許道軍，等.動荷載作用下路基沉降規(guī)律試驗(yàn)研究.河北工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012(2)：7-10.

[14]章定文，劉松玉.深層攪拌樁隔離墻應(yīng)用于軟基高速公路擴(kuò)建工程的數(shù)值分析.公路交通科技，2005，22(11)：10-13.

[15]楊濤，李磊，石磊.高速公路擴(kuò)建工程軟基隔離墻加固機(jī)理的數(shù)值分析.公路交通科技，2011，28(8)：51-56.

[16]章定文，劉松玉.軟土地基高速公路擴(kuò)建中新老路堤相互作用數(shù)值分析.中國公路學(xué)報，2006(6)：7-12.

[17]鄂海清.攪拌樁和素混凝土樁處理高速公路拓寬工程軟基的路堤性狀分析.華東公路，2011(6)：14-18.

[18]李建國，王珣.路基承載力與路堤穩(wěn)定性及沉降關(guān)系研究.鐵道工程學(xué)報，2014(5)：12-15.

[19]傅珍，王選倉，陳星光，等.拓寬道路工后差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn).長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，28(5)：10-13.

(特約編輯李軍)

Researchonreinforcementofverticalgeotextilematerialand

rigidpileforexpresswaywideningonsoftground

FENGTu-gen1,2，WANGLu-bo1,2，SONGHai-yang1,2，CHENYang1,2，HUSong1,2

(1.KeyLaboratoryforGeotechnicalEngineeringofMinistryofWaterResource,JiangsuNanjing210098,China;

2.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Abstract：Anewfoundationtreatmentmethodisputforwardinthisthesis.Thewidenedfoundationwashandledbytheintegratedapplicationofrigidpilesandverticalgeotextilematerial.Forinvestigatingtheperformanceofwidenedembankmentundertheembankmentloadswiththedirectconnectionmethodonsoftgroundimprovedbyapplicationofrigidpilesandverticalgeotextilematerial,a3Delastic—plasticfinitedifferencemodelwasestablishedinFLAC3D.Throughusingnumericalanalysis,thesettlementofwidenembankment,lateraldeformationandstabilityofthefoundationwereinvestigatedfromreinforcingornot.Theresultsshowthatthecomprehensiveapplicationofrigidpilesandverticalgeotextilematerialcaneffectivelycontrolthelateraldeformationoffoundationsoil,therebyreducingthedifferentsettlementbetweenthenewandoldembankmentandsurface,thereinforcementeffectisobvious.

Keywords：highwayexpansion;geotextilematerial;rigidpile;lateraldeformation;numericalanalysis

中圖分類號：TU43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0001-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.001

作者簡介：豐土根(1975-)，男，浙江金華人，博士，教授，主要從事土動力學(xué)教學(xué)與研究工作。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009054)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(109077)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2010513);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2014B04914)

收稿日期：2015-08-28