李婷婷
(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院,广西 南宁 530029)
基于极限变形模量的高速公路地基处治研究
李婷婷
(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院,广西南宁530029)
为了研究高速公路路堤地基处治标准,合理确定相关设计参数,文章以变形模量为主要控制参数,以路表变形为控制指标,通过建立路表工后沉降与路堤地基变形模量关系,确立了以极限变形模量作为高速公路路堤地基处治标准的方法,并在此基础上系统地提出了能够表征柔性基础特性的高速公路路堤地基的设计思路。
路基;地基处治;有限元;极限变形模量;沉降量
高速公路填土路基主要由路堤填土和地基两大部分组成,由于路堤填筑人为控制,其稳定性相对可靠,而地基部分受其自身特性、路堤填料及行车荷载等多因素的影响,其稳定性和变形对高速公路的稳定性影响更大;文献表明,一般路基工后沉降的80%~90%来自地基变形[1]。因此,高速公路路堤地基的设计尤为重要。然而,目前我国仅有针对软土路基地基的设计规范,对一般路基地基的设计多参照建筑工程相关规范和经验,不够精准[2];国内外学者针对这方面的研究也主要局限于某一种特定的土质或某一工段,缺乏普遍适用性[3][4]。
考虑到路表沉降量是国内外普遍采用的路基变形控制指标,该指标在相关规范中已有规定,且路表沉降主要由地基沉降引起的。因而,本文采用有限元和正交
试验方法进行建模计算,计算不同因素下一般路堤路基路表沉降量,并计算了相应的工后沉降量,然后通过回归计算建立了路堤地基变形模量与路表工后沉降及变形敏感参数的关系,与路表工后变形控制指标相对应的地基变形模量被定义为极限变形模量,该极限变形模量被作为地基综合控制标准,最后提出了以极限地基变形模量为设计指标的设计思路。
由于本文研究的重点和思路是通过路表工后变形反算地基变形模量,并建立地基变形模量与路表工后变形、相关变形敏感参数的关系式,最终确立能表征地基综合强度及其柔性特征的变形模量作为地基设计指标。为此,本节首先搜集和整理一般路基的设计参数,确立参数及范围,设计正交实验表格;然后进行建模和有限元计算,计算出路表的总沉降;再根据路表工后沉降与总沉降、路基填土高度的关系,计算出相应的路表工后沉降,为下一节建立与地基变形模量的关系提供基础数据。
1.1建立模型[5]
将路基看作横向对称结构,对其半幅进行建模计算。根据相关资料中路基对地基影响深度的研究,对地基深度按照路堤填料高度的8倍取值;考虑计算结构的力学特性,在地基底部和右部分界部分设置为不可变形约束,在路基中间分界部位设置为水平约束。具体见图1。
1.2路基参数及有限元计算
由于该设计方法主要针对一般路基进行研究,因此主要通过对国内一般路基参数进行搜集和分析,根据各参数变化情况,确立了固定参数和范围参数,然后进行正交试验,并用有限元分析法分别计算各组数据。
1.2.1路基参数
根据搜集和分析的一般路基数据,按照国内大概率使用情况对边坡坡度和路基宽度分别设置为固定值1∶1.5和26 m,按照各参数对变形的影响敏感性分析结果,对变形敏感性较小的地基粘聚力和内摩擦角分别取为固定值35 kPa和30°,其他参数根据一般路基情况确定取值范围。各参数见表1、表2。
图1 路堤结构及建模示意图
名称边坡坡度宽度B(m)填筑高度H(m)回弹模量E0(MPa)重度γ(kN/m3)变形模量E(MPa)取值1∶1.5262~820~7014~268~30
表2 b地基参数数值表
1.2.2计算结果
根据参数取值设计正交试验,并进行有限元计算,结果见表3。
表3 正交试验及模型计算结果汇总表
1.3路表工后沉降量计算
上节计算得出了不同参数组合情况下路表的总沉降,本节通过建立总沉降与工期沉降量的关系,计算出相应的路表工后沉降量见表4及图2。根据相关资料[6][7],建立起工期沉降量与总沉降量的关系式,以计算工后沉降,见式(1)。
表4 不同填土高度下工期沉降量与总沉降数据表
图2 填土高度比与工期沉降比例关系曲线图
(1)
式中:Y——工期沉降占总沉降的比例(%);
X——填土高度(m)。
根据有限元计算出的路表总变形以及填土高度与工期沉降比例关系计算出相应的路表工后变形,结果见表5。
表5 工后变形计算结果数值表
对前述正交试验表中的相关设计参数以及对应计算的路表工后变形数据,应用数据分析软件回归分析,建立地基变形模量与路表工后变形、路堤填土高度、填土弹性模量及填土重度等参数的数据关系,工后变形为允许值时对应的为极限地基变形模量Ej。
lnEj=-0.528+1.263lnH-0.082lnE0+1.036lnγ
-1.013lnSl
(2)
式中:Ej——地基极限变形模量(MPa);
H——填土高度(m);
E0——路基填筑材料弹性模量(MPa);
γ——填筑材料重度(kN/m3);
Sl——工后容许变形(cm)。
本节建立了地基变形模量与填土高度、填料种类、路表工后变形的关系式,利用各相关参数与地基模量的数学关系,在路基设计参数一定的情况下,可以便捷地计算出地基容许变形模量,然后根据对地基变形模量的原位测试,判断地基的稳定性是否满足设计要求,从而为确定处治措施提供依据。
根据建立的地基极限变形模量与地基相关设计参数的关系,以及规范对路表工后变形的要求判别出公路地基的稳定性是否满足要求,当不满足要求时,需要对地基进行处治,而处治的思路是将原始地基进行加固,以确保其综合模量达到极限变形模量。
3.1处治参数
(1)地基容许模量E
E=Ej
(3)
式中:E——地基容许模量;
Ej——基于路表工后绝对沉降标准极限地基土变形模量(MPa)。
(2)处治层模量Ec
由处治方式确定,可根据设计方案获取或计算。
(3)处治深度h[8]
基于变形等效原则,采用上节计算数据和方法,建立地基综合变形模量Ed与地基处理深度d、处治层模量E1、未处治层模量E2关系式,确定处治深度h。如图3和表6所示。
图3 综合模量计算参数图
序号处治层厚度(m)处治层模量(MPa)下层原状地基变形模量(MPa)综合模量(MPa)11487.5621101413.7531162019.7941303030.00534149.75631088.2973163026.1083302021.20954209.14105103018.701151689.45125301416.741374307.94147102013.87157161414.7816730812.20
建立处治参数关系式为:
lnEd=0.345 5-0.142 27 lnh+0.405 33 lnEc+0.516 63 lnEx
(4)
式中:Ed——地基综合变形模量(MPa);
h——地基处治深度(m);
Ec——处治层模量(MPa);
Ex——下层原状地基模量(MPa)。
在地基综合模量Ed与容许模量E相等时,可计算出地基处治深度h。
3.2设计流程
高速公路路堤地基设计受地基处治方案等多种因素影响,按照极限模量设计准则,主要设计流程如下:
(1)确定路表变形标准;
(2)计算地基设计模量;
(3)测试原地基的变形模量,并与设计模量比较,若不满足设计要求则需要进行下一步;
(4)从经济、工期等多角度考虑,确定地基处治方案;
(5)根据处治方案,确定处理层变形模量;
(6)根据以上数据计算地基处治深度。
(1)路表工后变形是反映高速公路路基稳定性的直观参数,也是最易于获取的路基变形控制指标之一,本文基于此,以路表变形为控制指标反算地基变形模量,并建立相关计算式,提出了以极限变形模量为控制指标的地基处治标准。
(2)针对需要处治的地基,以等效变形为原则,建立了地基处治模量计算关系式,提出了地基处治深度的计算思路。
(3)基于极限变形模量提出了高速公路路堤地基处治思路。
(4)在模型的建立和参数的选取方面尚不足以反映土体的复杂特性,下一步需要深入考虑土体的本构关系和不同区域的土体特性等方面进行研究。
[1]高力侠.山区高速公路差异沉降控制技术研究[D].西安:长安大学,2004.
[2]GB 5007-2002,建筑地基基础设计规范[S].
[3]辛建丽.黄土地区公路地基承载力验算方法研究[D].西安:长安大学公路学院,2004.
[4]支喜兰.黄土地区公路路基地基承载力评价方法研究[D].西安:长安大学公路学院,2005.
[5]王靖涛.建立岩土本构模型的数值方法[J].华中科技大学学报:城市科学版:2002,19(1):42-47.
[6]刘吉福.沉降速率与剩余沉降的关系[J].广西大学学报:自然科学版,2010,35(1):193-198.
[7]周全能.软土路基后期沉降推算方法及误差分析[J].岩土力学,2007,28(3):512-516.
[8]闫强.高速公路路堤地基处治标准研究[D].西安:长安大学公路学院,2011.
Study on Expressway Foundation Treatment Based on Limit Deformation Modu-lus
LI Ting-ting
(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute,Nanning,Guangxi,530029)
In order to study the expressway embankment foundation treatment standard and to reasona-bly determine the relevant design parameters,this article took the deformation modulus as main control parameter,with road surface deformation as control index,and through establishing the relationship between road surface post-work settlement and embankment foundation deformation modulus,it es-ta-blished the method with limit deformation modulus as expressway embankment foundation treatment standard,and then on this basis,it systematically proposed the expressway embankment foundation design concept which can characterize the basic flexible features.
Subgrade;Foundation treatment;Finite element;Limit deformation modulus;Settlement
U412.36+6
A
10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.005
1673-4874(2016)05-0017-04
2016-04-29
李婷婷(1981—),工程师,主要从事公路工程勘察设计及项目管理工作。