粉喷桩处理高速公路加宽工程新路软基的数值分析

陈 磊,李玉芬

(浙江省水利水电工程局,杭州 310020)

目前,随着我国国民经济的快速发展,交通量急速增长,部分不满足交通量增长需求的已建少车道高速公路需要进行加宽扩建[1-2]。由于软土地基的高压缩性以及新老路堤填筑时间的差异性,工后新老路堤间容易产生较大的不均匀沉降,从而引起路面开裂破坏,因此需要对新路软基进行处理,其中粉喷桩复合地基法广为采用。考虑到加宽工程不同于普通道路工程的建设形式,通过平面应变二维有限元数值模拟对粉喷桩的处治方法进行研究分析。

1 模型的建立

1.1 有限元程序简介

采用荷兰代尔夫特大学研发的岩土工程通用有限元软件Plaxis。该软件界面友好,后处理方便,能够进行变形、固结、渗流计算,同时还能进行基于强度折减法的稳定计算,并且所具有的梁单元、土工布单元、接触面单元等,使之能够模拟复杂的工程情况,因此在国内外广为运用。

1.2 模型条件

以目前比较普遍的由双向四车道加宽为双向八车道扩建工程为例,根据相关规范规定[3],老路堤顶面宽度一般为26.0 m,单侧新路堤顶面宽度为8.25 m,新老路堤边坡坡比相同,均为1∶1.5,路堤高度取为4.0 m。路堤及地基土体采用摩尔-库仑模型模拟,计算参数见表1。地下水位线在地表下方1 m处。

表1 路堤和地基土体计算参数

假设老路地基采用排水固结法处理,由于运营多年,可不考虑排水板的排水作用。新路地基采用粉喷桩复合地基法处理,桩径50 cm,桩长12 m,按1.3 m×1.3 m正方形布置,桩体布置至老路堤边坡坡比为1∶0.5坡脚处,桩顶设置30 cm厚的砂垫层。桩体模量取80 MPa,根据总刚度等效的原则简化为连续桩墙[4]。新路提进行分级填筑,每填筑0.5 m,固结30天,直至最后一层填筑完毕,并固结90天,此时施工期结束,施工期总计300天。

由于路堤结构的对称性,取一半进行建模分析。计算域宽度取为路堤宽度的3倍,模型两侧边界约束水平向位移,底部边界固定,且均为不排水边界。所建模型如图1所示。

图1 计算模型图

2 计算结果分析

2.1 桩体处治范围的影响

加宽工程施工时,为了扩大新路地基的处治范围,通常需要先对老路堤边坡进行削坡处理,但同时削坡使得老路堤边坡变陡,增大了老路边坡失稳坍塌的危险性。因此需要了解新路地基的处治范围对新老路堤沉降变形的影响程度,这有利于复合地基的优化设计。本文选择三种削坡坡比进行分析,分别为1∶0.5、1∶1.0和1∶1.5,即粉喷桩分别处理至对应坡脚位置。

图2 地基表面总沉降曲线

图3 路堤表面工后沉降曲线

由图2可见,新路地基处治范围越小,即老路堤坡比越缓,由于新路地基总体刚度减小,使得新路地基沉降增大。同时由于更多的新路堤荷载传递扩散至老路地基,使得老路地基沉降也有所增大,但增大幅度不如新路地基明显,这也使得新老路地基不均匀沉降增大。如果不考虑老路堤在新路堤荷载作用下的压缩变形,可以认为老路地基的沉降即是老路堤表面的沉降,可见处治范围越小,老路面受影响产生的横坡比改变也越大。

新路地基采用粉喷桩复合地基法处理,由于地基刚度显著增大,其沉降较小,并且主要发生瞬时沉降,大部分沉降在施工期内就已经完成。而老路地基受影响,也会产生一定的超孔隙水压力,虽然引起的总沉降较小,但由于排水固结缓慢,大部分沉降在工后才完成,因此可能会使得新老路堤之间工后出现反坡现象,如图3所示,如南京绕城高速加宽工程某些断面就出现了上述现象[4]。同时可以发现老路堤中心工后沉降反而比老路地基总沉降大,这是由于施工期较短,老路地基在新路堤荷载作用下来不及固结沉降,受挤压向上隆起所致。并且可以看出,随着坡比越陡,即处治范围的增大,新老路堤表面工后沉降以及之间的反向不均匀沉降都有所减小。

图4 地基表面总沉降曲线

图5 路堤表面工后沉降曲线

2.2 桩体模量的影响

图4 为不同桩体模量时的地基表面总沉降,可见桩体模量越小,新路地基沉降越大,并且由于荷载传递扩散以及新路地基沉降下拉作用,使得老路地基沉降也略有增大,因此,随着桩体模量的减小,新老路地基间的不均匀沉降也随之增大。同时可以看出,随着桩体模量的等幅度增大,新路地基沉降减小幅度明显减小。分析原因,这是因为本算例中,下卧层刚度不是很大,在新路地基总沉降中,有相当一部分是由下卧层压缩变形引起的,而桩体模量的增大对减小下卧层的压缩变形影响不大,因此使得新路地基沉降减小幅度明显减小。这说明,盲目的增大桩体刚度并不能起到很好的处理效果。

图5可见,随着桩体模量的增大,新老路堤表面工后沉降有所减小,但是新老路堤间的反向不均匀沉降却有所增大,这是因为桩体模量越大,地基刚度越大,新路地基沉降在施工期稳定越快,即剩余的工后沉降越小,而老路地基受此影响较小,从而使得工后反向不均匀沉降略有增大。

2.3 桩间距的影响

图6 地基表面总沉降曲线

图7 路堤表面工后沉降曲线

图6 可以看出,桩间距越大,地基刚度越小,使得新路地基沉降有所增大,老路地基沉降受此影响也略有增大,总体上,新老路地基间的不均匀沉降也随之增大。

至于路堤表面工后沉降曲线,如图7所示,随着桩间距的减小,工后沉降有所减小,但新老路堤间的反向不均匀沉降却略有增大,这同样是因为桩间距越小,地基刚度越大,新路地基沉降在施工期稳定越快,即剩余的工后沉降越小,而老路地基受此影响较小,从而使得工后反向不均匀沉降略有增大。

3 结 语

(1)扩大新路地基的处治范围,无论对控制地基的总沉降还是工后新老路堤沉降以及之间的不均匀沉降都是有利的。

(2)增大桩体刚度对控制地基总沉降是有利的,但是可能使得工后新老路堤间的不均匀沉降反而增大,并且盲目增大桩体刚度也可能使得地基处理效果提高不大。

(3)同增大桩体刚度相同,减小桩间距对控制地基总沉降是有利的,但是也可能使得工后新老路堤间的不均匀沉降反而增大。

因此,粉喷桩处理加宽工程新路地基时,应根据实际工程情况,通过合理分析,找出最优的设计方案。

[1]刘志明.沈大高速公路改扩建工程技术论文集[M].北京:人民交通出版社 ,2005.

[2]顾建武,候辉.沪宁高速公路扩建工程典型软基特性及处治对策研究[J].土工基础,2005,19(3):12-15.

[3]JTG B01-2003,公路工程技术标准[S].

[4]陈磊,刘汉龙,陈永辉.高速公路拼宽工程地基处理效果的数值模拟[J].岩土力学,2006,27(11):2066-2070.