高速公路软基处理新方法及其处理效果数值模拟

刘苏弦 刘思佳

摘 要：依托某高速公路工程，提出了软基处理的新方法，通过建立软基沉降影响评价的数值模拟模型，利用数值计算方法分析其对路基沉降变形的影响。

关键词：软基处理；新方法；沉降影响；数值模拟

目前我国加固软土地基的技术逐渐成熟，常使用的地基处理方法有排水固结预压法、水泥土搅拌法、CFG柱法等。在现代施工技术、新材料的保障下，及新加固技术的发展方向下，本文提出连续钢板墙加对拉筋连接的新型加固结构体系来加固软弱土路基，在不改变软弱土的工程物理性质的条件下，依靠结构的整体性来约束路堤的变形及提高其承载能力的处理方法，同时，本文借助有限元数值技术模拟新方法对高速公路软土路基沉降处理效果。

1工程背景

X工程为位于内陆湖泊沿线的某高速公路， 4车道，设计速度为120km/h，路基宽28.5m该段软弱土属内陆湖相沉积地层。其土层的分层情况如下：

第一层：平均厚3m，粘土，软塑状，中～高压缩性。

第二层：平均厚0.8m，极细砂，湿重度为19.2kN/m3，不排水不固结粘聚力为3Pa ，不排水不固结内摩擦角为18°。

第三层：平均厚11.7m，游泥质粘土，流塑～软塑状，含有机质，高压缩性，天然含水量37.6%，湿重度17.6 kN/m3。

第四层：中风化砂岩，饱和单轴抗压强度为34.6MPa，天然重度25.3kN/m、饱和重度 25.6kN/m3。

2 高速公路软基处理的新方法

图1 高速公路软基处理新方法的构造图

本文提出的高速公路软基处理的新方法的处理结构的组成及构造见图1。路堤自重与行车荷载主要由柔性拉筋带承担，柔性拉筋带受竖直力后将发生一定的形变，变形后的柔性拉筋带将竖向荷载转化为沿抛物线切线方向的拉力，从而将所受之力通过连续板桩墙传递给位于拉筋带下方的软土层及软土层下的坚实土层。在足够大的拉力作用下会使刚性板桩墙产生向路堤内侧的同向位移或者约束刚性板桩墙产生向路堤外侧的反向位移，封闭于板桩墙内的下卧软土层，就不可能向路堤外侧侧向挤出，或者向位于软土层底的坚硬土层方向移动，软土在自身的体积基本不变的情况下，会向路堤方向挤，从而会对路堤产生一个向上旳“浮托力”可以约束路堤的下沉。这样形成一个相互联系，而又相互制约的矛盾体系而起到间接加固软土路基的作用。

3 软基处理效果的数值模拟

为了探讨软基处理新方法结的处理效果，先假定一系列的假设值，然后根据不同情况模拟分析。其中假设板桩墙出露段H1=4m、埋入段H2=21m （其中软土层为20m，板桩墙嵌入密实土层的深度为1m）；路堤宽B=25m；路堤高7m （其中放坡坡率为1：1及高H0=3m、宽b1=3m）。

3.1 数值模拟模型的建立

采用PLAXIS建立二维平面有限元模型进行分析，根据新型结构的工作原理及其平面对称的几何特征，取单位长度路堤等效考虑，暂不考虑路堤下方的软弱土层的自身固结沉降，以及地下水位的升降变化。路堤两侧纵向板桩墙连续布置，拉结筋带按每延米考虑。为使分析模型比较接近实际，在刚度差异很大的桩土之间，以及拉筋带与土之间设接触面单元，假定符合摩尔一库伦屈服准则的弹塑性模型，界面强度参数（C， ）取有关土体的一般强度参数。有限元模拟计算区域的宽度取相应于路堤宽度的5倍，深度取至密实土层顶面下10m为止。当路堤宽度变化时，为方便因路堤宽度的改变而引起的沉降的对比分析，统一取路堤沉降影响区域为125m。示意图如下图2所示，几何边界条件为左右边界施加滑动约束，而底部边界固定。

图2模型几何示意图

3.2路堤宽度对路堤沉降的影响

在保证其他假设条件不变的情况下，将路堤宽度分为15m、20m、25m、30m，四种情况进行数值模拟后对其沉降曲线进行对比分析。沉降曲线图见图4。

图3不同路堤宽度对沉降影响图

图3说明当其他因素不变时，如果路堤宽度过大时，会导致板桩墙向路堤外侧产生较大位移而使拉筋绷直。说明在其他因素不变的情况下路堤宽度变化是个对沉降影响较大的因素。

3.3板桩墙刚度对路堤沉降的影响

在保证其他假设条件不变的情况下，将板桩墙的抗弯刚度分为8 106kN/m2、8 107kN/m2、8 108kN/m2、8 109kN/m2，四种情况进行数值模拟后对其沉降曲线进行对比分析。沉降曲线图见图4。

图4 板桩墙抗弯刚度对路堤沉降的影响图

从图4可以得出：板桩墙的抗弯刚度过小时路堤将产生较大的不均勻沉降，主要是板桩墙的弯曲变形影响的。当板桩墙的抗弯刚度足够大时，板桩墙的弯曲变形较小，路堤的沉降主要来自拉筋的下沉。

3.4板植墙嵌入密实土层的嵌固深度对路堤沉降的影响

在保证其他假设条件不变的情况下，将板桩墙嵌入密实土层的嵌固深度分为0.5m、1m、1.5m、2m，四种情况进行数值模拟后对其沉降曲线进行对比分析。沉降曲线图见图5。

图5 板桩墙嵌入密实土层不同深度对路堤沉降的影响图

我们可以清楚的看出四种不同嵌入深度的条件下所产生的四条不同的沉降曲线变化差异不大，其最大沉降量都出现在路堤正中央，各条沉降曲线的交点出现在75m处（板桩墙所在位置）。其中嵌入0.5m的模型路堤内侧的沉降量相对最大路堤外侧的隆起量相对最大，嵌入2m的模型路堤内侧的沉降量相对最小路堤外侧的隆起量相对也最小。结论：在其他因素不变的情况下，刻意加大板柱墙的嵌入密实土层的深度对减少路堤的沉降意义不大，取嵌入深度为0.5～1m是经济合理的。

4 结束语

本文进行了数值模拟分析，针对某软弱土地基上高路堤问题釆用本新型结构进行加固，在不同影响因素的条件下，利用数值计算方法分析其对路基沉降变形的影响，得到了其变形位移规，希望本理论能在将来的建设发展中变成现实，为国民经济社会的发展做出一定的贡献。

参考文献

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