软基粉喷桩联合塑料排水板处治模拟分析

张劲桥

（山西路桥第六工程有限公司，山西晋中 030600）

0 引言

为缓解交通压力，提升运输能力，近年来我国很多高速公路相继开展改扩建项目。在路基改扩建施工过程中，施工会对新旧路基产生扰动[1]，在施工期间和工后产生不同程度的差异沉降，尤其是软土地基路段沉降更为明显。差异沉降会导致新旧路基产生纵向开裂[2]，因此必须采取措施对软基进行有效加固。结合以往的公路改扩建项目软土地基处治经验[3-4]，对粉喷桩联合塑料排水板软基处治效果进行分析。利用有限元分析软件建立数值模型，对公路软基加宽路段的变形进行模拟分析，确定处治效果，可为一线施工提供参考。本文结合某高速公路改扩建工程软基处治案例，利用有限元分析软件建立粉喷桩联合塑料排水板处治软基数值模型，对新路基施工期间和完工后的变形进行模拟分析，确定路基加固方案的合理性。

1 高速公路单侧加宽软基加固方案

1.1 工程简介

某高速公路路基原设计宽度为26 m，采用双向四车道设计。近年来由于交通量迅速增加，日常运营过程中经常出现拥堵现象，拟开展改扩建工程。加宽后路基宽度为42 m，采用双向八车道设计，根据道路沿线地形、地质情况调查结果，沿线采用双侧或单侧加宽的方式。K26+315—K26+415 段作为试验路段，该路段原路基高度为6 m，路基边坡坡度为1∶1.5，地基土上部为淤泥质黏土，厚度为13 m，下部为密实砂土。该施工路段地下水埋深较浅，个别路段仅为1 m。

1.2 软基粉喷桩联合塑料排水板处治方案

由于单侧加宽对路基沉降的影响更大，本文选单侧加宽路段作为研究对象，采用粉喷桩联合塑料排水板对软基进行处治。路基拓宽路段软土地基初步拟定3 种处治方案：方案一采用全幅塑料排水板处治；方案二采用粉喷桩联合塑料排水板处治，其中粉喷桩靠近旧路基，塑料排水板靠近新路基边坡，这种布置形式可降低施工对原路基的扰动。试验路段粉喷桩设计桩长为14 m，穿过上部软土并深入下部密实砂土层1 m；方案三为全幅粉喷桩处治。粉喷桩设计桩径为0.5 m，桩间距为1.3 m，采用方形布置。塑料排水板尺寸为100 mm×4 mm，长度为14 m，穿过淤泥质黏土层，布置间距也为1.3 m，仍采用方形布置。新路基填筑施工前，在地基顶部铺设0.5 m 厚砂垫层，一方面有利于路基横向排水，另一方面可以协调桩土荷载。由于方案二与方案三模拟计算结果十分接近，因此本文取方案一和方案二计算结果进行研究。

2 有限元模型建立

利用有限元软件建立有限元数值模型。模型建立过程中纵向取1.3 m 作为计算域，横向宽度取200 m，淤泥质黏土层厚度为13 m，下部密实砂土层厚度取5 m，以合理确定模型边界条件，降低影响。有限元模型建立过程中将所有土层看作Mohr-Coulomb 材料，粉喷桩模拟采用实体置换的方式，数值模拟计算过程中将粉喷桩视为理想线弹性体，粉喷桩与上下土层的界面强度系数取值为0.65，各土层与粉喷桩计算参数如表1所示。塑料排水板采用软件内嵌的方式，在模型中置入“排水线”单元模拟，假定孔隙水压力为零，粉喷桩联合塑料排水板处治方案路基模型如图1 所示。

图1 路基模型示意图（单位：m）

表1 各土层与粉喷桩计算参数

模型边界条件为：左右两侧x方向位移约束，不排水；模型前后两侧y方向位移约束，不排水；模型底部各向位移均约束、排水；模型顶部自由，排水。

假定原路基是一次性修筑完成，建设时间为360 d，建成9 年后进行改扩建施工。按原路基参数计算初始应力，重置路基各向位移为零，以便于计算新路基施工过程中产生的位移。假设新建路基分6 层填筑，第1 层厚度为1 m，包括0.5 m 厚砂垫层和0.5 m 厚填土；第2层—第6 层单层厚度均为1 m，单层施工时间为30 d。新建路基填筑完成后，再次重置路基各向位移为零，以便于计算工后路基沉降。

3 新路基变形计算结果分析

3.1 新路基施工期间变形计算结果分析

3.1.1 路基竖向位移计算结果分析

对新路基下部地基一半宽度采用粉喷桩处理，靠近路基边坡的一半地基采用塑料排水板进行处治，采用有限元软件模拟计算路基填筑施工过程中的地基竖向位移，得出地基土体竖向位移变化曲线如图2 所示。

图2 路基填筑施工期间旧路基顶面竖向变形曲线

分析图2 所示曲线变化趋势，可以得出随新路基填筑层数的增加，旧路基表面竖向位移也随之增加，其中靠近旧路基左侧路肩一侧有向上的竖向位移，远离左侧路肩一侧竖向位移方向向下，产生了一定幅度的沉降。靠近新路基的旧路基顶面竖向沉降较大，距新路基较远的旧路基顶面竖向位移较小，且存在竖向位移的方向也有所改变。通过对比分析，采用全幅塑料排水板处治的旧路基顶面竖向位移更大，这是由于粉喷桩靠近旧路基，起到了良好的过渡作用，大大降低了新路基施工过程中对旧路基的扰动，也减少了对路基竖向位移的影响范围，因此应优先选用粉喷桩联合塑料排水板处治方案。

为进一步研究新旧路基结合部位的沉降变形，取新旧路基中心线位置的沉降与新旧路基结合部位沉降的差值计算路基顶面横坡，绘制新路基施工过程中路基横坡变化曲线如图3 所示。

图3 新路基施工期间路基横坡变化曲线

分析图3 所示曲线变化趋势，可以得出随新路基填筑层数的增加，路基横坡呈非线性增加。计算得出的采用粉喷桩联合塑料排水板处治路基横坡最大值为0.76%，而采用全幅塑料排水板处治路基横坡度最大值为1.43%，说明产生的差异沉降更大，进一步说明了选用粉喷桩联合塑料排水板处治方案更为合理。

3.1.2 土体水平位移计算结果分析

在新路基填筑施工期间，对新旧路基结合部位坡脚地基的水平位移进行计算，得出不同深度坡脚位移变化曲线如图4 所示。

图4 新旧路基结合位置坡脚地基水平位移变化曲线

分析图4 所示曲线变化趋势，可以得出上层淤泥质黏土层水平位移变化较大，而下层密实砂土层水平位移很小。随着新路基填筑层数的增加，淤泥质黏土层最初水平位移变化方向是向旧路基一侧，填筑第5遍和第6 遍水平位移方向转向新路基一侧。而全幅采用塑料排水板处治水平位移均向旧路基一侧，且旧路基存在横向变形的风险。因此，考虑到新路基施工后对旧路基的扰动影响，粉喷桩联合塑料排水板处治方案更为合理。

3.2 新路基工后竖向位移预测结果分析

该高速公路设计使用寿命为15 年，根据上述模拟计算结果得出新路基工后前3 年路基竖向位移较大，按照上述变形规律通过有限元软件对15 年内的路基竖向位移进行预测。本文取1 年、2 年、3 年、7 年和15年竖向位移计算结果作为研究对象，分析新路基工后竖向位移的变化规律。利用有限元软件采用分步增量法对新路基各部位工后竖向位移进行计算，预测路基的变形情况（如图5）。

图5 新旧路基工后竖向位移变化曲线

分析图5 新路基工后路基竖向位移预测结果，得出新旧路基结合部位附近竖向位移越来越大，且随着距离的增加竖向位移减小。采用全幅塑料防水板处治方案新、旧路基竖向位移变化曲线大体呈“V”字形，竖向位移最大处出现在新旧路基结合位置。采用粉喷桩联合塑料排水板处治方案竖向位移最大位置向左侧路基移动，大概出现在距左侧路肩23 m 位置，分析原因是采用粉喷桩进行加固，新旧路基结合位置路基稳定性提高。另外，采用全幅塑料防水板处治方案路基竖向位移最大值为56.24 mm，而采用粉喷桩联合塑料排水板处治方案路基竖向位移最大值为33.67 mm，说明方案二较方案一可明显降低工后沉降，提高路基的整体稳定性。

4 结论

为合理确定高速公路改扩建工程中软基处治方案，以高速公路拓宽改造工程为案例背景，采用有限元软件对采用不同软基处治方案新旧路基施工期间和工后变形进行数值模拟分析，得出以下结论：

a）随新路基填筑层数的增加旧路基顶面竖向位移也增加，且采用粉喷桩联合塑料排水板方案较全幅塑料排水板方案所产生的竖向位移更小，新路基施工期间路基横坡变化也较小，这是由于粉喷桩加固降低了路基施工对旧路基的扰动。

b）在淤泥质黏土层水平位移较大，密实砂土层水平位移很小，且采用全幅塑料排水板处治旧路基存在横向变形风险，因此取粉喷桩联合塑料排水板处治方案更为合理。

c）工后采用全幅塑料防水板处治方案路基竖向位移最大值为56.24 mm，出现在新旧路基结合位置，而采用粉喷桩联合塑料排水板处治方案路基竖向位移最大值为33.67 mm，出现在距左侧路肩约23 m 位置，进一步说明采用方案二更为合理，路基的整体稳定性更高。