高速公路軟土路基沉降及處治數(shù)值分析

章 海 明

(1.山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006； 2.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

高速公路軟土路基沉降及處治數(shù)值分析

章 海 明1,2

(1.山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006； 2.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

基于土體固結(jié)理論，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)某跨越軟土地區(qū)的新建高速公路路基沉降量及差異沉降進(jìn)行分析，并對(duì)該工程中采用粉噴樁加固軟土地基的處治效果進(jìn)行了驗(yàn)算。數(shù)值模擬計(jì)算表明：未經(jīng)處治的軟土地基，隨著路堤與路面結(jié)構(gòu)逐漸修筑完成，路基的沉降量隨著填土的增加逐漸增加，且初始沉降速率大于后期沉降速率，該路面竣工15 a后，路面表面的差異沉降達(dá)到2.2 cm，需對(duì)軟土地基進(jìn)行處治以滿足道路后期使用性能；在軟土地基中采用豎向粉噴樁進(jìn)行地基加固后，路表面各點(diǎn)的沉降量顯著降低，各點(diǎn)處的差異沉降量極小，幾乎可忽略不計(jì)，表明增設(shè)粉噴樁群后，軟土地基的強(qiáng)度與剛度得到了顯著的提高，有效控制了路基的差異沉降。

高速公路；軟土路基；沉降量；差異沉降；粉噴樁

軟土路基的沉降分析是道路工程中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，路基的差異沉降若得不到有效控制將嚴(yán)重影響著道路的使用性能與行車(chē)安全[1-2]。目前，我國(guó)對(duì)于高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為15 a內(nèi)的工后沉降不得大于30 cm，但實(shí)際工程中當(dāng)路面表面的不均勻沉降大于20 mm后即需及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)以確保行車(chē)安全。因此，如何減少高速公路軟土路基的工后不均勻沉降是目前的研究熱點(diǎn)[3-6]。

從1923年太沙基建立固結(jié)理論至今，關(guān)于地基沉降的相關(guān)計(jì)算理論得到了巨大的發(fā)展。目前主要有三類(lèi)關(guān)于地基沉降的分析與計(jì)算方法：第一類(lèi)是基于彈性理論與太沙基固結(jié)理論的理論公式法，但該方法未對(duì)土體非線性變形與側(cè)向變形進(jìn)行考慮，存在一定的局限性[7-9]；第二類(lèi)是沉降預(yù)測(cè)法，即在工程應(yīng)用中，通過(guò)精密儀器在不同時(shí)刻實(shí)測(cè)出各結(jié)構(gòu)處的沉降量，得到沉降量與時(shí)間的關(guān)系以對(duì)沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，諸如雙曲線法，灰色預(yù)測(cè)法等，但該方法工作量大，需基于準(zhǔn)確有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[10-11]；第三類(lèi)是有限元數(shù)值分析方法[12-13]，基于比奧(Biot)固結(jié)理論及土體材料的非線性、彈塑性本構(gòu)模型建立路基沉降有限元模型，可計(jì)算任意時(shí)刻下各模型單元處的應(yīng)力及位移，由于有限元方法可反應(yīng)模型的側(cè)向變形及土體的非線性變形，并可考慮復(fù)雜的邊界條件，目前已被廣泛的運(yùn)用于土基沉降分析中。

本文依托某跨越軟土地區(qū)的新建高速公路，基于比奧(Biot)固結(jié)理論，采用ABAQUS有限元軟件，運(yùn)用Drucker-Prager(D-P)彈塑性模型建立高速公路軟土路基結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其在不同時(shí)刻下，路基結(jié)構(gòu)各點(diǎn)處的沉降量進(jìn)行了分析，并通過(guò)設(shè)立豎向粉噴樁以減少軟土路基的不均勻沉降量，對(duì)比研究了處治前后軟土路基的不均勻沉降量值，對(duì)高速公路軟土路基的沉降分析與處治具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某新建高速公路試驗(yàn)路段跨越軟土地區(qū)，該公路設(shè)計(jì)為雙向6車(chē)道，采用瀝青路面結(jié)構(gòu)，路基寬度為34.5 m，路堤及路面按1∶1.5進(jìn)行放坡，路堤高度為4 m，路面結(jié)構(gòu)層厚度為0.69 m，地質(zhì)勘查表明該地區(qū)軟土由表及下依次為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，地下水位線位于地面下1 m，為孔隙潛水。該路段擬采用豎向布置粉噴樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處治以防止其不均勻沉降，樁體直徑與長(zhǎng)度分別為0.5 m、11.5 m，樁體布置采用陣列式布置，橫縱間距均為1 m，軟土地基處治的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1試驗(yàn)路段軟土地基處治方案

2 軟土路基沉降數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

為模擬不同時(shí)刻下，路基在荷載作用下的變形情況，采用ABAQUS軟件分別建立未處治軟土地基與土工格柵+粉噴樁處治軟土地基結(jié)構(gòu)模型，對(duì)比研究?jī)煞N工況下路基的變形情況。

(1) 軟土地基上路面結(jié)構(gòu)模型。建立平面模型，模型的地基底面寬度取60 m。高度取24.69 m，其中瀝青路面結(jié)構(gòu)為5層，模型底層由下及上依次為8 m厚粉質(zhì)黏土、11.5 m厚淤泥質(zhì)黏土、0.5 m厚砂土墊層、4 m厚填土路堤、0.69 m厚瀝青路面，路堤按1∶1.5進(jìn)行放坡。路面結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

(2) 土工格柵+粉噴樁處治軟土地基結(jié)構(gòu)模型。在軟土地基上路面結(jié)構(gòu)的模型的基礎(chǔ)上，在路堤趾點(diǎn)添加一層截面積為0.00015 m2的土工格柵，同時(shí)在淤泥質(zhì)黏土層中增設(shè)直徑0.5 m、長(zhǎng)度11.5 m、間距為1.0 m的粉噴樁。結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖2 軟土地基上路面結(jié)構(gòu)模型

圖3粉噴樁處治軟土地基結(jié)構(gòu)模型

2.2 模型參數(shù)

結(jié)構(gòu)模型中，地下水位線位于砂土墊層底面下0.5 m。瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的厚度與材料參數(shù)如表1所示；路堤采用D-P彈塑性模型，材料的相關(guān)參數(shù)如表2及表3所示；砂土墊層的彈性模量E取50 MPa，泊松比μ取0.3，重度γd取20 kN/m3；淤質(zhì)黏土采用D-P彈塑性模型，滲透系數(shù)取0.00012 m/d，材料的相關(guān)參數(shù)如表2及表3所示[14]；粉質(zhì)黏土采用Clay Plasticity模型，滲透系數(shù)為0.00006 m/d，材料相關(guān)參數(shù)如表4所示[15]；粉噴樁的彈性模量取120 MPa，泊松比取0.2，滲透系數(shù)取1.0×10-6m/d。

2.3 邊界約束條件及加載方式

模型底部采用固定約束，左右側(cè)為水平約束，結(jié)構(gòu)上部為自由邊界，模型的滲流邊界所處條件采用定水頭邊界條件(Dirichlet條件)，設(shè)定地表砂墊層為透水邊界。數(shù)值計(jì)算僅考慮結(jié)構(gòu)自重的影響，按路堤及路面填筑順序進(jìn)行加載，加載過(guò)程及歷時(shí)如圖4所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)及材料特性

表2 D-P模型硬化參數(shù)

表3 D-P模型參數(shù)

表4 Clay Plasticity模型參數(shù)

圖4模型結(jié)構(gòu)加載及歷時(shí)曲線

3 結(jié)果分析

3.1 軟土地基上路基結(jié)構(gòu)不均勻沉降分析

未加粉噴樁的軟土地基上路面結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的沉降云圖如圖5所示。

由圖5可知，隨著路堤與路面結(jié)構(gòu)逐漸修筑完成，路基的沉降量隨著填土的增加逐漸增加，且初始沉降速率大于后期沉降速率；由路堤鋪筑完成并間隔120 d后的沉降云圖可知，路基在路堤鋪筑完成后，其沉降量在路面中心處達(dá)到最大值，且沉降量逐漸向路基邊緣處減少，路基的沉降呈倒“圓盆形”。查詢(xún)不同時(shí)刻的沉降量可知：該路面在竣工15 a后，路面表層的中心處沉降量為12.9 cm，路肩處的沉降量為10.7 cm，兩處的差異沉降量為2.2 cm，差異沉降量大于2.0 cm后將造成路面開(kāi)裂，影響路用性能及行車(chē)安全，需對(duì)軟土地基進(jìn)行處理以防止后期的不均勻沉降。

3.2 粉噴樁處治軟土地基后路基結(jié)構(gòu)的不均勻沉降分析

采用粉噴樁處治軟土地基后，路基結(jié)構(gòu)在竣工后15 a的沉降變形、水平變形及總變形分別如圖6所示。

圖5 不同時(shí)刻下路基的沉降云圖

圖6竣工15 a后路基結(jié)構(gòu)的變形云圖(粉噴樁增強(qiáng)地基)

由圖6可知，采用粉噴樁增強(qiáng)軟土地基后，軟土地基的總體剛度得到了有效的增強(qiáng)，使得路基變形向地基深處傳遞，路基下方出現(xiàn)顯著的“沉降盆”效應(yīng)。另一方面，由于粉噴樁底部的土體受到較大壓力而收縮，使得樁體兩側(cè)土體出現(xiàn)較明顯的向兩側(cè)擠壓趨勢(shì)。

竣工15 a后，對(duì)于未處治軟土地基與加粉噴樁處治軟土地基下結(jié)構(gòu)模型路表中心至路面邊緣各節(jié)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，采用粉噴樁處治軟土路基后，該路面在竣工15 a后，路面表層的中心處沉降量為1.7 cm，路肩處的沉降量為1.5 cm。因此，在軟土地基中采用豎向粉噴樁進(jìn)行地基加強(qiáng)后，路表面各點(diǎn)的沉降量顯著降低，各點(diǎn)處的差異沉降量極小，幾乎可忽略不計(jì)，表明增設(shè)粉噴樁群后，軟土地基的強(qiáng)度與剛度得到了顯著的提高，有效控制了路基的差異沉降。

圖7路面表面各點(diǎn)的沉降量

4 結(jié) 論

軟土路基的沉降分析是道路工程中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，必須通過(guò)驗(yàn)算沉降量與不均勻沉降值以保證道路后期的使用性能，對(duì)于驗(yàn)算不合格的軟土路基必須采取可行的方法進(jìn)行加固。本文基于工程實(shí)例，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)該工況下的軟土路基沉降量及差異沉降量進(jìn)行了分析，并對(duì)該工程中采用粉噴樁加固軟土地基的處治效果進(jìn)行了驗(yàn)算，得到了如下結(jié)論：

(1) 未經(jīng)處治的軟土地基，隨著路堤與路面結(jié)構(gòu)逐漸修筑完成，路基的沉降量隨著填土的增加逐漸增加，且初始沉降速率大于后期沉降速率。數(shù)值計(jì)算表明：該路面在竣工15 a后，路面表面中心與路肩兩處的差異沉降量為2.2 cm，差異沉降量大于2.0 cm后將造成路面開(kāi)裂，影響路用性能及行車(chē)安全，需對(duì)軟土地基進(jìn)行處理以防止后期的不均勻沉降。

(2) 采用粉噴樁增強(qiáng)軟土地基后，軟土地基的總體剛度得到了有效的增強(qiáng)，使得路基變形向地基深處傳遞，路基下方出現(xiàn)顯著的“沉降盆”效應(yīng)。

(3) 在軟土地基中采用豎向粉噴樁進(jìn)行地基加固后，路表面各點(diǎn)的沉降量顯著降低，各點(diǎn)處的差異沉降量極小，幾乎可忽略不計(jì)，表明增設(shè)粉噴樁群后，軟土地基的強(qiáng)度與剛度得到了顯著的提高，有效控制了路基的差異沉降。

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NumericalAnalysisofSettlementandTreatmentofSoftSoilSubgradeUnderHighway

ZHANG Haiming1,2

(1.ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China; 2.KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyandTransportationIndustryinLoessArea,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to provide a theoretical research method for the study of soft soil subgrade settlement of highway, the settlement and differential settlement of a new highway subgrade crossing a soft soil area are analyzed by using the ABAQUS finite element software based on the soil consolidation theory, and the engineering adopted in pile reinforcement of soft soil foundation treatment effect is checked. Numerical simulation results show that with the construction of embankment and pavement structure, the settlement of subgrade increases with the soil fill. And the initial settlement rate is greater than the latter settlement rate. 15 years after completion of the road, the differential settlement of the surface of the road reaches 2.2 cm, and the soft soil foundation should be treated to meet the late service performance of the road; In soft soil foundation with vertical pile foundation reinforcement, settlement of road surface points was significantly reduced, the difference of each point of the settlement is small, almost negligible, adding that pile group, the soft soil foundation stiffness and strength has been greatly improved, which effectively control the subgrade settlement difference.

highway;softsoilsubgrade;settlement;differentialsettlement;powderjetpile

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.042

2017-06-01

2017-07-25

章海明(1986—)，男，安徽銅陵樅陽(yáng)人，工程師，主要從事公路橋梁工程的勘察設(shè)計(jì)工作。E-mail: 646461088@qq.com

U416.1

A

1672—1144(2017)06—0211—05