公路涵洞地基处理的数值模拟分析

武金博 郑小毅

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000)

公路涵洞地基处理的数值模拟分析

武金博 郑小毅

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000)

在介绍涵洞地基处理原则的基础上，通过数值模拟，对高填方涵洞采用不同地基处理方法的效果进行了模拟分析，得出了各地基处理方法下涵洞位移规律和土压力规律，对比了各种地基处理方法的效果，为涵洞地基处理提供参考依据。

公路涵洞，地基处理，数值模拟

0 引言

地基大致可分为柔性地基和刚性地基，柔性地基刚度小，抵抗形变能力弱，理论表明，在设计涵洞的过程中，高填路堤下涵洞，不必将地基承载力设计得过高。高承载力人工地基与周围天然地基的刚度差异大，会导致涵体与相邻路基的差异沉降，从而引起涵洞应力集中。地基在涵洞施工和路堤填筑的过程中会逐渐压密，从而使其承载力有一定的增长，此外涵洞两侧路堤填土产生旁压荷载，能够约束地基土的侧向滑移，从而提高地基的承载力。因此，对地基承载力和涵洞受力进行分析后，再根据实际承载力要求来进行涵洞地基处理有利于改善涵洞受力条件并降低地基处理费用。

1 数值模拟建模

本文利用PLAXIS有限元分析软件，选取一个典型路段作为分析对象，建立暗埋式公路涵洞模型，采用15节点平面三角形单元进行网格划分，针对高填方路段软土地基上的公路涵洞进行地基处理分析，几何模型如图1所示。所采用的计算参数为：路基上方填土高度18 m，土体压缩模量Es=30 MPa，泊松比为μ=0.30，粘聚力c=0.1 kPa，内摩擦角为φ=32°，天然重度为γ=18 kN/m3。涵洞地基岩土自上而下依次为2 m厚的粘土层和8 m厚的老粘土，2 m厚粘土层压缩模量Es=10 MPa，泊松比为μ=0.30，粘聚力c=0.1 kPa，内摩擦角为φ=30°，天然重度为γ=18 kN/m3；8 m厚老粘土层压缩模量Es=20 MPa，泊松比为μ=0.35，粘聚力c=25 kPa，内摩擦角为φ=18°，天然重度为γ=18 kN/m3。建立宽2 m，高2 m的混凝土拱涵，底部为总宽4 m的混凝土基础。

针对换填法和柔性桩复合地基这两种地基处理方式，分别建立模型进行分析，换填材料的物理参数分别为压缩模量Es=100 MPa，泊松比μ=0.3，粘聚力c=0.1 kPa，内摩擦角为φ=30°，天然重度为γ=18 kN/m3；底基层的物理参数定为Es=20 MPa，泊松比为μ=0.30，粘聚力c=1 kPa，内摩擦角为φ=30°，天然重度为γ=18 kN/m3。柔性桩的参数为压缩模量Es=100 MPa，泊松比为μ=0.3，粘聚力c=10 kPa，内摩擦角为φ=30°，天然重度为γ=18 kN/m3。

2 数值模拟结果

2.1 换填法

除了地基土、路堤填土、涵洞及换填材料本身材料的参数以外，影响涵体沉降量的主要是换填范围，即换填厚度和换填区域的宽度。同时，涵体的沉降又影响着涵洞周围的土压力。

2.1.1 不同垫层厚度的影响

研究换填的过程中，采用了固定其他参数，控制一个变量的方法来比较沉降量等与换填法处理范围的关系。首先取换填宽度为20 m，改变换填区的厚度，来比较沉降量随换填范围的变化规律。换填深度由1 m逐渐增加至6 m，分别计算换填厚度为1 m,2 m,3 m,4 m,5 m,6 m时对应的路堤沉降量及未进行换填时路堤沉降量，结果如图2～图4所示。

从图2～图4可以看出，随着垫层厚度的增加，涵体沉降、涵顶和涵底土压力均会不断变化。随着换填垫层厚度的增加，涵体的沉降量不断减小，而涵顶和涵底的土压力会逐渐增加。当换填厚度大于4 m后，涵体沉降量的变化率不断减小，涵顶土压力和涵底土压力开始趋于稳定。同时，比较图3和图4，可以看出涵底土压力远小于涵顶土压力。引起这一现象的原因是涵体本身刚度较大，涵体与其两侧土体压缩变形存在较大的差异，涵顶两侧土体较大的沉降会“拖动”涵顶上部土体，引起涵顶上部土压力集中现象。同时，涵底发生向下“刺入”路基现象，两侧土体又对涵洞底部产生向上的“拖拽力”，从而引起基底压力减小。

2.1.2 不同垫层宽度的影响

数值模拟时，保持垫层厚度为3 m，通过改变换填区域的宽度，分析垫层宽度对涵体位移及涵周土压力的影响规律。下文换填宽度指换填区域的总宽度，换填区域以涵洞的中轴线为对称轴向两边等量加宽，来对比垫层厚度为3 m的情况下，换填宽度分别为8 m,12 m,16 m,20 m,24 m,28 m,32 m时的涵体沉降及涵周土压力的变化情况，数值计算结果如图5～图7所示。

从图5～图7可以看出，沉降量随处理宽度的增加而缓慢降低，涵洞顶部和底部的土压力在垫层宽度为8 m～12 m左右时达到最大，而后随着垫层宽度的增加而逐渐减小。在保证沉降量达到要求的同时还需要注意涵洞周围的土压力，土压力应控制在合理的范围内，以免引起涵洞构造物过大的内力。

2.2 柔性桩复合地基

数值模拟柔性桩复合地基中，柔性桩的直径取0.5 m，参照换填法的处理范围，将柔性桩的桩长定为3 m，改变桩距分析柔性桩复合地基对沉降量的影响，对比桩间净距分别为1倍,2倍和3倍桩径时的涵体沉降量(见表1)。

在3 m桩长的情况下，1倍,2倍和3倍桩径间距的柔性桩复合地基的沉降量相差不大，涵洞顶部土压力变化也不大。其中，1倍桩径的沉降量最小约为230 mm，柔性桩复合地基的沉降量随桩距的增大有一定的增大。由有限元分析可看出，柔性桩复合地基的应力集中在复合地基的顶面，即引起涵底土压力的增大相对明显。柔性桩复合地基在处理深度同为3 m的条件下，2倍桩径间距的处理效果接近等宽度的换填法的处理效果。

表1 柔性桩不同桩间净距对应的地基沉降量

刚性桩虽然具有相对较好的控沉效果，但其与土体刚性相差过大时，桩周土体很容易进入破坏状态，桩体强度不能充分发挥。对比柔性桩，涵洞顶部的应力集中现象较为严重，土压力过大会导致涵洞的破坏，在此不作论述。

2.3 处理效果对比

为对比换填法和柔性桩两种处理方式的处理效果，数值模拟过程中设定地基加固区宽度为8 m，取桩间净距为2倍桩径的柔性桩复合地基与换填法处理后的涵体沉降量、涵顶土压力做对比。

从图8和图9中可以看出，换填法控制沉降效果优于柔性桩复合地基，柔性桩复合地基处理后，洞顶压力变化小，同时涵顶土压力也较小。因施工成本限制，换填法处理地基深度一般不超过3 m，综合比较土压力、沉降量以及经济性，对于软土地基高填方涵洞可采用柔性桩复合地基进行处理。

3 结语

1)涵体沉降量随换填深度的增加而减少，在换填深度为1 m～3 m时，涵体沉降减小较快。换填深度一定时，换填法处理后地基的沉降量随换填范围的加宽逐渐减小，趋势较为平缓。

2)柔性桩在0.5 m桩径，桩间净距为2倍桩径的情况下，桩长在3 m～6 m之间时，涵体沉降减小较快，涵洞顶部和底部受力情况随沉降量变化趋势较平缓。因此，在高填方公路涵洞路段，3 m～6 m左右的桩长较为合理。

3)对换填法、柔性桩复合地基的处理效果进行了对比分析。从换填法控制沉降效果优于柔性桩复合地基，柔性桩复合地基处理后，洞顶压力变化小，同时涵顶土压力也较小。因施工成本限制，换填法处理地基深度一般不超过3 m，综合比较土压力、沉降量以及经济性，对于软土地基高填方涵洞可采用柔性桩复合地基进行处理。

[1] 马 强,郑俊杰,张 军.高填方涵洞加筋桥减载的现场试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2337-2342.

[2] 郑俊杰,马 强,张 军.加筋减载涵洞的涵顶土压力计算[J].岩土工程学报,2011,33(7):1135-1141.

[3] 郑俊杰,马 强,陈保国.高填方涵洞地基承载力分析[J].华中科技大学学报(自然科学版),2009,37(4):115-118.

[4] 马 强,郑俊杰,张 军,等.高填方涵洞减载机制与数值分析[J].岩土力学，2010,31(S1)：424-429.

[5] 郑俊杰，陈保国，张世飙.沟埋式涵洞非线性土压力试验研究与数值模拟[J].岩土工程学报，2008，30(12)：1771-1777.

Numerical simulation analysis of highway culvert foundation treatment

WU Jin-bo ZHENG Xiao-yi

(ChinaCommunication2ndHighwaySurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan430000,China)

The paper introduces culvert foundation treatment principles, simulates high-filling culvert effects with various foundation treatment methods, achieves culvert displacement law and soil pressure law under various foundation treatment methods, and compares their treatment effects, which has provided some basis for other culvert foundation treatment.

highway culvert, foundation treatment, numerical simulation

1009-6825(2014)30-0097-03

2014-08-15

武金博(1983- )，男，硕士，工程师； 郑小毅(1982- )，男，硕士，工程师

TU472

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