大型箱涵作用下高填石路基沉降控制方法的研究

于平湖

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074)

1 概述

贵州省某环城高速公路的一匝道要上跨公路主线，该路段填筑好该主线的路基，高度超过30m，已到达设计标高，填料为附近工程的土石，且事先已采用强夯的方式将该段路基填筑完成。因考虑到在高填石路基中施工桩基存在困难，故采用箱涵（框架桥）直接放置在填石路基上（设计图见图1）替代原设计连续箱梁的方案，以方便施工和保证工期需要。为尽量减小出现不均匀沉降的可能性，在框架底一定深度范围设加固处理区，希望通过比较经济合理的方式，改善下方填石路基的整体性。在本研究中，填石路基在其较大堤身自重应力和上部箱涵荷载作用下难免会产生较大的压缩变形和地基沉降，进而导致路基顶面产生较大的不均匀沉降，甚至与大型箱涵产生脱空，造成路面无法使用，严重影响行车安全。为了避免该路段出现不均匀沉降等病害，以ABAQUS 软件数值模拟分析结果为依据，针对性地提出了大型箱涵作用下高填石路基的沉降控制方法。

图1 设计方案

2 路基不均匀沉降的处理方法

针对路基的沉降变形问题，李占锋[1]，陈亮、沈军辉[2]都进行了相应的变形特征及原因分析，然后用数值模拟分析采取处治措施后的改善结果。高成雷[3]基于常泊松比假定，推导了三维Merchant 模型的Prony 级数表达式，在此基础上以ABAQUS 为工具建立了半填半挖路基沉降计算模型。肖伦斌、陶庆东[4]基于ABAQUS 有限元软件，采用莫尔－库仑模型及修正后的剑桥模型参数，分析了山区高速公路某软土地基路段分层加载预压过程中的地基土变形的规律。李洁、梁鸿[5]基于ABAQUS 软件，模拟黄土路基在冲击压实技术下竖向位移变化，得到的模拟值在工程误差允许范围内。联系到本项目的特点，需要的是能杜绝或者减少不均匀沉降的地基加固处理，使填石路基在同一条水平线上的不至于产生较大的差异沉降；而不是病害产生后再进行“亡羊补牢”式的处理。

邵腊庚[6]，方磊[7]通过对路基压实中不同压实方法和压实工艺的分析，结合填石料的压实特性和高填石路堤筑经验，证明在多石的山区高填方填石路堤，冲击压实和振动压实加上冲击补强压实不仅能大幅减少高填方填石体蠕变产生的变形，而且能够很大程度上改良填石料级配，增加密实度。表明对于填石路基，利用合理的压实技术可以使填筑体有足够的强度和稳定性，从而减少不均匀沉降。车竞[8]对土工合成材料在填石路堤加固中的应用进行了相关研究，认为土工合成材料加固填石路堤后有利扩散并均匀分布上部结构传来的荷载、提高路基结构的承载力和安全性能。刘礼英[9]指出可以利用混凝土材料对地基进行保护来改善地基的不均匀沉降现象。

因为土工格栅具有较高的抗拉强度和张拉模量，能将荷载或应力均匀地扩散到较大的面积范围内，能尽量分散作用于路堤上的荷载压力，提高路基的整体性，进一步减小不均匀沉降。另外，混凝土材料结构稳定，抗压性能较强，能够极大地满足各种结构工程的需要。路基受压而导致沉降出现，而混凝土本身的抗压性能极好，所以把混凝土应用在路基处理上来控制路基的不均匀沉降从经济和技术层面分析也都是有效可行的。

综合以上研究，考虑到该工程中填石路基的特性、压路机补强压实的填筑技术和土工格栅以及混凝土在加强路基中的应用。在保证加固处治的效果和技术可行以及经济合理基础上，本研究针对大型箱涵作用下的高填石路基的处理提出了钢塑格栅+碾压混凝土的路基加固措施，以此来减少不均匀沉降并为箱涵的放置提供平稳牢靠的基础。具体处治方法：在原填石路堤，在箱涵底部设计高度以下一定深度范围内设土工格栅加固区，增加对填料的横向约束，改善填石路堤的整体性，并在填石路堤顶部1.5m 范围内采取碾压混凝土进行加固处理，形成类似钢塑格栅增强的混凝土地基板，进而提高地基荷载扩散和承载能力，减少不均匀沉降。

3 材料参数与计算分析

3.1 材料参数

对现场提供的材料进行了室内试验测试，填石材料参数见表1；碾压混凝土的重度取22kN/m3，泊松比为0.15；箱涵横截面面积为107m2，箱涵钢筋混凝土的重度取26kN/m3；钢塑格栅材料参数见表2。

表1 填石材料的物理力学参数

表2 钢塑格栅的物理力学参数

3.2 计算模型

通过对比分析不同工况条件下填石地基在大型箱涵作用下的沉降变形，从而确定最佳的地基处理方案。共包括三种方案：方案1，不做任何处理的原填石路基直接作为箱涵地基；方案2，箱涵底部以下4m 深度范围内设土工格栅加固区（钢塑土工格栅层间距0.5m），增加对填料的横向约束，改善填石路堤的整体性，并在填石路堤顶部1.5m 范围内采取碾压混凝土（碾压混凝土层中也设有层间距0.5m 的钢塑格栅）进行地基处理；方案3，箱涵底部以下6m 范围内设置土工格栅加筋层（层间距0.5m），顶部碾压混凝土地基处理深度也为1.5m，具体方法与第二种方案相同。方案2、3 的路基处理设计断面见图2、图3。

3.3 ABAQUS 数值模拟

对三种方案进行ABAQUS 建模并分析在大型箱涵作用下填石路基的沉降变形。方案1 为高26m，宽51.45m 的原填石路基，方案2、3 在原填石路基上做地基处理，地基处理分析模型见图2、图3。填石路基模拟主要借助ABAQUS 软件内置的Mohr-Coulomb 模型；土体建模采用二维shell 建模，土工格栅用二维线单元建模，用面切割工具切分出不同材料属性的土体以及开挖的分界线，网格划分采用四节点平面应变单元；边界条件，侧面约束法向位移，底部约束所有位移，顶部为自由端；荷载方面，施加重力加速度为9.8m/s2，为了模拟工后大型箱涵作用下的荷载，先用通用静力分析步计算应力，然后用导入OBD 应力结果的方法做地应力平衡，以达到应力为正常应力，位移为零的效果，在此基础上施加上部荷载（等效箱涵作用的均布荷载72.35kPa），比较三种方案下填石路基的竖向位移变化情况。

图2 方案2 的路基处理方案分析模型(单位：cm)

图3 方案3 的路基处理方案分析模型(单位：cm)

方案1、方案2、方案3 的ABAQUS 数值模拟结果见图4、图5、图6；其填石路基的沉降变形结果汇总见表3；三种方案下填石路基竖向位移随深度变化的结果见图7。对于大型箱涵作用下的填石路基，方案2 加固处理后沉降变形仅为27.5mm，相比方案171.7mm 的变形量，减少沉降的效果明显。方案3 与方案2，ABAQUS 数值模拟的最后沉降变形相差4.6mm，表明增加2m 加筋区的深度对填石路基沉降变形改善效果不大。且通过三种方案竖向位移随深度变化对比后可以看出，方案2、3 进行加固处理后路基的竖向位移随深度变化曲线，不仅最后的沉降变形值比方案1 小，且其分布曲线较为平缓，斜率较小，说明加固措施能极好地降低填石路基在大型箱涵作用下的不均匀变形。方案2 比方案1 沉降明显减少，处理效果显著；方案3 比方案2 只减少了4.6mm 的沉降量，因此，对比数值模拟分析结果，综合考虑技术经济和操作的可行性，推荐采用方案2 为填石路基加固处理方案。

图4 方案1 的地基处理分析模型(单位：cm)

图5 方案2 的地基处理分析模型(单位：cm)

表3 三个地基处理方案的ABAQUS 数值模拟结果

图6 方案3 的地基处理分析模型(单位：cm)

图7 三种方案下填石路基竖向位移随深度分布对比图(单位：cm)

4 结论

为避免高山峡谷地区修建桥梁带来的施工困难和高昂的建设费用，在高速公路的匝道路段修建大型箱涵是一种简便可行的方法。但必须对路基进行加固处理以降低不均匀沉降对箱涵使用产生的影响。针对该贵州省实际工程项目，通过对比分析数值模拟的结果，对大型箱涵作用下的高填石路基采用方案2（加筋层深度为4m，顶部1.5m 深度范围内采用碾压混凝土处理后形成钢塑土工格栅加筋的混凝土地基板）进行路基的加固处理从而减少不均匀沉降为大型箱涵的放置提供平稳牢靠的基础。ABAQUS 数值模拟结果表明采用钢塑格栅+碾压混凝土加固处理方式能极大的降低填石路基的沉降，表明采用钢塑格栅+碾压混凝土对地基的加固处理效果较好。更重要的是提高了路基的整体稳定性能极大削弱不均匀沉降。但对于不同路基与地质情况，其贫混凝土的处理厚度以及钢塑格栅加筋区深度都需要对实际情况进行分析后确定，以达到经济合理的效果。