不同地基处理过渡段工后沉降数值分析

唐栋华，陈海波

(1.南京地铁集团有限公司,江苏 南京 210029; 2.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院,江苏 南京 210029)

0 引言

我国东南沿海地区普遍存在深厚软土地基,特别是浙江沿海,此类情况更为突出,温州、台州等地区厚度30 m以上的软土较为普遍。线状分布的公路工程建设中根据路段类型、地质条件等不同,会采取不同的处理方式,因此在一个路段内可能存在两种或多种不同的软基处理方式。如塑料排水板是通过加快孔隙水的流动加速孔隙水排出,软土加速固结以减小软土地基的工后沉降;水泥搅拌桩复合地基是通过在软土中增加竖向增强体以提高加固区的承载力来减小软土地基沉降量,最终达到减小工后沉降的目的[1-3]。由于不同软基处理方式的加固机理各不相同,道路建成运营期间的工后沉降发生、发展也有较大差异,不同软基处理方式交接处容易发生差异沉降。在深厚软土区,普通路段不处理的情况下沉降很大。差异沉降引起路面的不平整,势必影响行车舒适度。若差异沉降过大,就会出现跳车现象,会使机动车频繁加减速,甚至危害行车安全。不同软基处理方式交接处的差异沉降难以避免,因此,必须在相邻的两种软基处理方式之间设置过渡段,在该过渡段范围内使一种处理方式逐步向另一种方式过渡,使差异沉降得到协调、平稳过渡。

目前,国内外学者对桥头路段差异沉降处理技术方面的研究较多[4-6],但对同一路段内不同软基处理段间平滑过渡的研究还比较少,所以亟需对这两种软基处治措施沉降控制效果开展研究。本文主要分析对象为水泥搅拌桩与塑料排水板过渡段,通过开展数值模拟研究,设置不同的塑料排水板打设间距,探究水泥搅拌桩与塑料排水板过渡段的地基沉降变形规律、差异沉降规律,提出过渡段的优化设计方案。将有效解决水泥搅拌桩与塑料排水板过渡段差异沉降的平稳过渡问题,提高公路软基的设计水平,促进差异沉降控制技术的发展,为该类工程的技术设计提供可靠、实用的技术支撑。

1 模型建立与参数界定

1.1 建立有限元模型

ABAQUS是国际上功能最强的大型通用有限元软件之一,在求解高度非线性问题方面能力十分优越,且对岩土工程具有较强的适用性。本文将借助该软件开展有限元分析。

为研究塑料排水板间距对过渡段工后差异沉降的影响,建立基本参照组模型,即水泥搅拌桩路段和塑料排水板路段各取20 m,水泥搅拌桩桩长为20 m,桩间距为2 m;塑料排水板处理深度为20 m,间距为1.1 m。现场试验段采用梅花形布置。为方便建模,将水泥搅拌桩简化为方形布置。控制水泥搅拌桩桩间距和处理深度不变,塑料排水板间距分别采用0.7 m,0.9 m,1.3 m,1.5 m建立相应的模型。图1为参照组有限元模型计算断面简图。

1.2 边界条件与工况设置

模型在z=0 m的平面内约束x方向、y方向、z方向的位移;在x=0 m和x=30 m的平面内约束x方向的位移,在y=0 m和y=2.4 m的平面内约束y方向的位移。地下水位在地基表面,即在z=50 m的平面内孔压边界设为0。在z=0 m,x=0 m,x=30 m,y=0 m和y=2.4 m的平面均为不透水边界。

顶部为路堤荷载,分左右两段施加,高度为3.3 m。在水泥搅拌桩处理段先采用线性加载的方式施加路堤荷载,共65 d完成加载。加载完成后对该处理段预压175 d,再对右侧塑料排水板处理段施加同样的荷载,预压210 d后完成路段处理。工后固结时间为15 a。

1.3 模型材料参数界定

路堤、垫层和水泥搅拌桩采用摩尔库仑模型,地基各层土采用修正剑桥模型。通过室内直剪试验可以得到摩尔库仑模型的参数,室内试验确定渗透系数,三轴试验得到软土的摩擦角,修正剑桥模型压缩指数λ、回弹指数κ和应力比M参照陈建峰等[7]提出的修正剑桥模型参数回归公式计算。

利用有限元进行分析,需要对软土地基进行处理,为方便研究,将塑料排水板地基简化成渗透系数相同的天然土层地基进行计算,塑料排水板间距的变化直接影响圆的半径,塑料排水板间距的变化可以通过改变等效天然土层的渗透系数来实现[8-9]。塑料排水板各间距下处理土层等效为天然土层渗透系数见表1。

表1 塑料排水板各间距下土层等效渗透系数 m/s

2 水泥搅拌桩和塑料排水板过渡段结果分析

依据前文,控制水泥搅拌桩桩长、桩间距和处理深度不变,改变塑料排水板间距,分别设置了0.7 m,0.9 m,1.1 m,1.3 m,1.5 m五组对比模拟试验,通过控制不变量的方式来研究塑料排水板间距的变化影响软土地基沉降以及过渡段差异沉降的规律。以道路纵向位置为横坐标,工后沉降为纵坐标,可以得到不同塑料排水板间距下地基沉降随道路纵向位置的变化规律。图2为不同塑料排水板间距条件对工后沉降影响规律图。

如图2所示,总体上来看,各种间距下沉降呈先减小后增大,继而趋近水平的影响规律;在纵向距离处理段16 m左右处,沉降均达到最小值。塑料排水板处理段的工后沉降控制在197.5 mm～231.3 mm;塑料排水板间距的变化对水泥搅拌桩处理段的工后沉降也有影响,离排水板处理段越近影响越大,这是因为塑料排水板的间距改变控制着该处理段前期的固结速率,导致从过渡断面排往水泥搅拌桩处理段的水不同,从而影响水泥搅拌桩处理段的前期固结效果。不同排水板布置间距下,过渡路段最大差异沉降为30 cm,根据我国《公路路基设计规范》规定,在一般路段工后沉降要不大于30 cm,故不建议采取大于1.5 m的塑料排石板布置间距。

进一步分析塑料排水板间距过渡段的影响,取纵向位置30 m到40 m路段工后沉降的平均数研究,可得塑料排水板处理段工后沉降随堆塑料排水板布置间距的变化规律,如图3所示。随着布置间距的增加,该处理段工后沉降增大,且近似于线性增长,这是由于随着塑料排水板间距越小,排水效果越好,土的固结较快,工后沉降小。

3 水泥搅拌桩-塑料排水板过渡段设计指南

为使数值模拟研究具有实际工程意义,本节在上文的基础上建立水泥搅拌桩和塑料排水板过渡段的设计指南。当桥头处理段水泥搅拌桩桩长已确定,在塑料排水板处理路段选取合适的塑料排水板埋设间距,既可以使过渡段的坡度满足规范要求(≤0.5%),同时又可以达到降低施工成本的目的。由于篇幅限制,这里重点研究不同水泥搅拌桩桩长下,塑料排水板间距的合理取值,并得出不同水泥搅拌桩桩长下,过渡段坡度随塑料排水板间距变化的规律。

选取水泥搅拌桩桩长分别为12 m,16 m和20 m建立模型,塑料排水板处理下土层的渗透系数见表1。图4展示了水泥搅拌桩桩长12 m,塑料排水板间距0.9 m处理方案的地基沉降云图。由图4可知,工后固结15 a后,水泥搅拌桩处理段最大工后沉降199.5 mm,塑料排水板处理段最大工后沉降为226.5 mm,最大差异沉降为27 mm,最大坡度为0.39%。

当塑料排水板处理间距发生改变时,即右侧处理段土体渗透系数发生变化时,可获取水泥搅拌桩处理深度为12.0 m时路段最大坡率随排水板间距的变化规律。同理得到水泥搅拌桩桩长16 m和20 m时路段最大坡率随排水板间距的变化规律,结果如图5所示。

由图5可见,不同桩长下,过渡段坡率均随塑料排水板间距增加而上涨,且桩长越短,上涨速率越大;在满足最大坡率小于0.4%的条件下,水泥搅拌桩桩长12 m,16 m和20 m时,塑料排水板可选取的最大间距分别为1.25 m,1.3 m和1.40 m。考虑到实际工程的经济效益,应当选取尽量大的排水板间距,可减少排水板的用量。

4 结论

本文建立水泥搅拌桩和塑料排水板过渡段有限元计算模型,通过控制水泥搅拌桩桩长、桩间距和处理深度不变,重点研究了塑料排水板间距对水泥搅拌桩和塑料排水板过渡段工后沉降的影响,同时还建立了水泥搅拌桩和塑料排水板过渡段的设计指南,以此分析塑料排水板间距的合理取值,主要得到以下结论:

1)总体来看,各种间距下沉降呈现先减小后增大,继而趋近水平的影响规律;塑料排水板处理段的工后沉降控制在197.5 mm～231.3 mm,满足规范的要求。

2)分析塑排板打设间距对过渡段工后沉降的影响发现,塑料排水板打设间距越小,排水效果越好,土的固结较快,工后沉降小;而随着布置间距的增加,处理段工后沉降近似于线性增长,为满足规范要求,不建议采取大于1.5 m的塑料排石板布置间距。

3)满足最大坡率小于0.4%的条件下,当水泥搅拌桩桩间距为2.0 m,桩长12 m,16 m和20 m时,塑料排水板可选取的最大间距分别为1.25 m,1.30 m和1.40 m。