高速公路樁承式加筋路堤沉降規(guī)律數(shù)值分析

張超 ZHANG Chao；王昕 WANG Xin；蒲昌瑜 PU Chang-yu；楊廣慶 YANG Guang-qing

（①河北雄安榮烏高速公路有限公司，保定 071799；②石家莊鐵道大學，石家莊 050043；③河北省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，石家莊 050021）

0 引言

樁承式加筋路堤是通過土拱效應和拉膜效應，將大部分的荷載傳遞至樁頂，從而有效地控制了路堤的整體沉降。在樁承式加筋路堤的填筑中，樁體的抗壓剛度遠大于樁間土的抗壓剛度，在路堤荷載作用下，樁體壓縮變形小于樁間土壓縮變形量。由于樁體和樁間土的差異沉降，會引起應力重分布，使樁體承擔大部分路堤荷載，從而形成“土拱效應”。在上部荷載作用下，水平加筋體向下彎曲，產(chǎn)生拉伸應力，同時路堤填土的側向推力使水平加筋體產(chǎn)生一個限制地基土體側向變形的約束力，從而可以分擔一部分路堤荷載。這種通過拉伸變形調節(jié)差異沉降，限制土體側向變形的效應即為“拉膜效應”。在土拱效應和拉膜效應的共同作用下路堤荷載從樁間土向樁體上轉移，從而有效減少樁土間的不均勻沉降。

在樁承式路堤沉降控制研究方面，朱學敏[1]基于模型試驗分了土工格柵筋材抗拉強度和鋪設層數(shù)對地基豎向沉降的影響。崔曉艷[2]分析了剛性樁復合地基沉降分布規(guī)律與豎向應力的分布特點。Chen[3]通過模型試驗研究路堤沉降變化規(guī)律以及荷載傳遞規(guī)律。陳仁朋[4-6]對軟土層未打穿的樁承式路堤進行現(xiàn)場試驗，分析填筑過程中及填筑完成后樁、土壓力、路基沉降及下臥層沉降的變化規(guī)律。費康[7]對低置換率樁承式加筋路堤進行了現(xiàn)場試驗，對沉降及側向水平變形等內(nèi)容進行了觀測分析。張良[8]研究了樁端持力層對樁承式路基承載特性的影響，測試了路堤荷載作用下的地基變形、墊層筋帶拉力、路堤基底壓力等數(shù)據(jù)，分析了樁端持力層強度的變化對樁承式路基的破壞模式、變形和承載特性、筋帶拉力等的影響規(guī)律。

控制路基工后沉降是高速公路路基設計的關鍵。目前關于樁承式路堤的研究主要集中在承載能力分析以及力的傳遞機制上，對樁承式路堤的沉降研究相對較少。對軟土地基路堤的設計而言，路堤沉降控制尤為重要。由于寬域斷面的路基橫斷面寬度較大，地質條件不連續(xù)，因此路基橫斷面荷載的分布特征及變形特性與普通路基存在一定的差異。因此為研究樁承式加筋路堤沉降規(guī)律，本文采用二維有限元模型分析樁長、樁間距、樁帽寬度和路堤高度對樁承式加筋路堤路基中心處、中心線右側和路肩處，路基表面不均勻沉降的影響以及加固區(qū)、下臥層沉降特點，對寬域斷面路基橫斷面沉降演化進行研究。

1 樁承式加筋路堤數(shù)值模型

本文利用有限元軟件ABAQUS建立了二維全斷面有限元模型。樁承式路堤的尺寸如圖1所示。路堤寬度為42m，邊坡比1∶1.5。建立模型時，為減小邊界效應的影響，在地基兩側各加寬25m。地基軟土、軟弱土連續(xù)分布，深度為30m，有限元模型中軟土地基采用分層設置。地下水位埋深10m，地下水位以下地基土考慮排水固結。墊層厚度為0.3m，路堤填土高度3-7m，分層填筑。數(shù)值模型條件與現(xiàn)場試驗工況一致。

圖1 樁承式加筋路堤斷面圖

軟土采用修正劍橋模型，路堤材料采用摩爾-庫倫模型，樁與加筋體均采用線彈性模型，參數(shù)如表1所示。模型兩側約束x方向位移，模型底部約束x、y方向位移。數(shù)值模型中，路堤、樁均以及地下水位以上軟土地基采用4節(jié)點線性平面應變四邊形單元CPE4單元，地下水位以下軟土地基采用4節(jié)點應力-孔壓耦合單元CPE4P單元，地下水頂面孔隙水壓力pw=0，模擬自由排水邊界。土工格柵采用T2D2單元。

表1 樁承式路堤有限元模型中的材料參數(shù)

2 路基橫斷面沉降規(guī)律

為了進一步分析不同影響因素對路基橫斷面不均勻沉降變化規(guī)律，本小節(jié)通過有限元方法進行分析。

2.1 樁長

圖2為路基中心處和路肩處加固區(qū)沉降和下臥層沉降隨樁長變化曲線?？梢钥闯鲭S著樁長增加，各觀測點下臥層沉降值迅速減小，而加固區(qū)沉降略有增加但整體變化不大。其主要原因是樁長增加，加固區(qū)范圍增加，因此加固區(qū)沉降增加。由于地基總影響深度不變，所以受荷載擾動的下臥層深度減小，下臥層沉降減小。由于路肩處為邊坡臨空面，應力狀態(tài)與路基中心處存在差異。因此路肩處路降明顯小于路基中心處沉降。

圖2 路基沉降隨樁長變化曲線

表2為路基橫斷面沉降差，反映了路堤荷載下路基橫斷面的不均勻沉降。隨著樁體長度增加，路基橫斷面不均勻沉降逐漸減小。對比樁長為12m和20m時路基橫斷面沉降差，可以看出，當樁長增加66.7%時，路基橫斷面不均勻沉降可減小44.4%。由于下臥層沉降占總沉降比例較大，而樁長增加可以有效減小下臥層沉降，因此采用較長的樁體可以有效減小路基沉降以及路基橫斷面的不均勻沉降。

表2 路基橫斷面沉降差

2.2 樁間距

圖3為各觀測點加固區(qū)沉降和下臥層沉降隨樁間距變化曲線。隨著樁間距增加，加固區(qū)沉降增大，而下臥層沉降變化不明顯。表3為不同樁間距下路基橫斷面不均勻沉降值?？梢钥闯鲭S著樁間距增大，路基表面不均勻沉降略有增加但變化幅度較小。對比樁間距為2m和2.8m時加固區(qū)沉降差，當樁間距增加40%時，加固區(qū)沉降差增加66.7%。可以看出樁間距對加固區(qū)沉降影響較大。

圖3 路基沉降隨樁間距變化曲線

表3 路基橫斷面沉降差

其主要原因是，樁間距增大單樁承載能力減弱，樁間土承擔更多荷載，因此加固區(qū)沉降增加。而下臥層主要承擔樁體和樁間土傳遞的荷載，由于各計算模型的路堤高度相同，由路堤填土產(chǎn)生的附加荷載相同，因此通過樁體和樁間土傳遞的總荷載相同，所以下臥層沉降受樁間距影響較小。

2.3 樁帽寬度

圖4為各觀測點加固區(qū)沉降和下臥層沉降隨樁帽寬度變化曲線。可以看出樁帽寬度增加，加固區(qū)沉降略有減小，而下臥層沉降變化不明顯。其主要原因是隨著樁帽寬度增加，樁體荷載分擔比增加，樁體承擔的荷載增加，樁間土承擔的荷載減小，因此加固區(qū)沉降減小。由于路堤總荷載不變，通過樁體和樁間土傳遞到下臥層的總荷載相同，因此下臥層沉降基本不變。

圖4 路基沉降隨樁帽寬度變化曲線

表4為樁凈間距（s-a）相同是路基沉降變化?？梢钥闯觯瑯睹陛^大的模型，地基總沉降和路基橫斷面不均勻沉降較小。因為當樁凈間距相同時，樁帽較大的模型荷載分擔比較大，樁體承載能力較高。因此從沉降控制考慮，當樁凈間距相同時，建議采用大樁帽設計。

表4 a=0.8m和s=2.2m路基沉降變化

2.4 路堤高度

圖5為路基中心處和路肩處地基沉降隨路堤高度變化曲線?？梢钥闯?，路堤高度增加，各計算模型加固區(qū)和下臥層沉降都有一定增加，但是下臥層沉降值增長更大。其主要原因是，下臥層承擔樁體和樁間土傳來的全部荷載，所以受路堤高度的影響較大，沉降值增長顯著。

圖5 路基沉降隨路堤高度變化曲線

表5為不同路堤高度下路基橫斷面不均勻沉降值?？梢钥闯鲭S著路堤高度增大，路基表面不均勻沉降迅速增加，當路堤高度較高時（H＞5.3m）路基橫斷面沉降差基本穩(wěn)定。路基橫斷面不均勻沉降主要受下臥層沉降影響，下臥層處的不均勻沉降變化規(guī)律與路基橫斷面不均勻沉降變化規(guī)律一致。其主要原因是下臥層沉降與地基土體固結有關，孔隙水受壓逐漸排除，孔隙比減小，沉降增大。因此隨著路堤填筑高度的增加路堤沉降逐漸增大。當路堤荷載達到一定值后，軟土地基固結完成，下臥層沉降基本穩(wěn)定。

表5 路基橫斷面沉降差

綜上所述，增加樁長、樁帽寬度和減小樁間距、路堤高度都能減小路基沉降。從橫斷面荷載變化規(guī)律上看，路基橫斷面沉降變化規(guī)律與觀測點位置有關，從路基中心向路肩方向，沉降值逐漸減小，并且在路肩處沉降值迅速下降。

3 小結

本文基于二維有限元模型，分析對比路基中心處、中心線右側和路肩處加固區(qū)、下臥層沉降特點，對寬域斷面路基沉降演化進行研究。結果表明：①增加樁長、樁帽寬度和減小樁間距、路堤高度都能有效降低路基沉降。②從沉降位置上分析，樁長變化，主要影響下臥層沉降；樁間距變化，主要影響加固區(qū)沉降；樁帽寬度變化，主要影響加固區(qū)沉降；路堤高度變化，主要影響下臥層沉降。③路基橫斷面沉降變化規(guī)律：從路基中心向路肩方向，沉降值逐漸減小，并且在路肩處沉降值迅速下降。