浅议桩承式加筋路堤的加固数值分析

◎浅议桩承jjc加筋路堤的加固数值分析谢晓晖(上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司)摘要：新拓宽路基因新路堤自重应力产生不均匀沉降，从而导致路面开裂，和其它路基处理方法相比，桩承式加筋路堤具有施工工期短、对老路影响小等优点。通过有限差分软件，分析拓宽工程中桩承式加筋路堤在不同土工格室厚度、模量的情况下，对拓宽路基沉降及侧向变形的影响规律，总结出较为经济的土工格室参数，以对相关工程的建设提供一定的借鉴和参考。关键词：软土路基；有限差分法；不均匀沉降；桩承式加筋路堤0前言土四者共同工作的整体。对其性状的分析应同时考虑桩承式加筋路堤是通过桩和水平加筋体(土工格四种不同组成部分间的相互作用。现有研究主要集中室、土工布等土工合成材料)联合处理软基的一种新型在分析水平加筋体、桩等单一的个体上，相互之间没有构筑物型式(见图1)。土拱效应加上格室或筏板可以形成一个有机的整体。将路堤重量的大部分或全部传递到桩上，从而减小路桩承式加筋路堤广泛运用于公路的改扩建工程当堤沉降。中，通过此项技术的使用可以有效地减小新老路堤间桩承式加筋路堤是路堤填料一水平加筋体一桩一的不均匀沉降，提高道路的使用寿命和舒适性。Iy_zI图1新建及拓宽桩承式加固目前，桩承式路堤在国内已得到广泛的使用，上海且在路堤表面施加2OkPa的均布荷载来模拟路面材地区在沪宁高速公路拓宽工程中成功的运用了此项技料和车辆行驶荷载。进行分析时，本模型符合以下假术，并取得了良好的效果。定：(1)路堤和路基土体均采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，计算参数列于表1中；(2)计算模型为对称1数值模型结构，以路堤中心线为轴，取一半进行计算；(3)边界条为了研究桩承式路基加固效果，选取有限差分软件为地基底面固定约束，地基宽度外侧水平向约束；件FIAC5．0作为模拟程序，由于其不需形成总体刚(4)地基和路堤中的初始应力场由地基土的自重形成，度矩阵，占用的内存小，特别适合非线性问题、大变形并将初始位移回位归零；(5)路基、底基层、基层、面层问题和物理不稳定问题，同时它还有多种材料模型供等结合面处治较好，接触状态为完全连续，不发生相对选择，因此在岩土工程领域得到广泛的应用。模拟计滑移和脱离；(6)路基和路基加固区内土体认为是均质算中，没有施加地下水位，不考虑地下水渗流固结，并各向同性弹塑性体。半幅老路基的宽度为20m，新路基拓宽宽度为收稿日期：2010-02—24lOIn，路堤高度取为5m，新老路基边坡均为1：2。对No．22010上冯么姥29 ◎s一⋯一于土工格室，采用FLAC软件中附带的锚索(cable)结构单元来模拟；对于刚性桩，采用桩(Pile)单元来模拟；结构单元与实体单元通过节点一节点实现连接，连接参数按程序默认确定。路基处理施加在新拓宽部位，如图2、图3所示。l土工图3计算模型路堤桩直径40cm，桩长20133。在桩顶处设置桩帽，桩帽的尺寸取为长100cm×宽100cm×高35cm，采用C25混凝土。正方形布置，间距1．5m，土体参数如表1所示。图2计算模型布置表1土体参数层号地层编号厚度／m重度／kN·m一3饱和重度／kN·m快剪C／kPa快剪中／度固结快剪中／度竖向固结系数／cm2·s—l1路堤填土3．0l9．22O．231．5ll16．10．00162黏土层5．0l7．5l8．5l5．3510．10．0053淤泥层20．016．917．99．32．68．90．0014粉质黏土层lO16．9l7．912．453．510．30．0019土工格室分五层铺设在路堤间，间距1m。最底层10CITI之后，沉降的变化趋于平缓。铺设在桩帽顶，再进行砂垫层回填，与桩帽协同作用。(1)土工格室的高度，分别取5cm、10cm、15cm、20cm和30cm；(2)土工格室弹性模量，300MPa、600MPa、900MPa和1500MPa。2计算结果2．1不同高度土工格室通过桩承式加筋路堤的使用，先拓宽部分的位移小于老路的位移，随着格室高度的增加，路堤顶面的最大沉降区域，在数值上逐渐减小，并且区域也随之而减小。表明土工格室的使用使得路堤表面的不均匀沉降逐渐减小，土工格室能让土体获得更大的加固效果。沿着桩身方向，位移出现突变的情况，这主要是由于桩身对土体位移的相互作用引起的。图4～图5所示的是在土工格室模量300MPa时，路基变形与格室高度变化的关系。沉降由5cm时的7．336em减小到30cm的5．246cm，减小了28．5。在路肩位置，由于桩施加在坡脚位置，桩的支承作用，使得不同情况下，路肩部位的沉降都趋于相同，汇聚在一点。从曲线中可以看出，在格室厚度达到图5侧向变形随格室高度的变化30上冯么魄N。．22010 sHANGHAI—s◎2．2不同格室模量其中以格室模量在300MPa时效果最为明显。由于上部路堤填料荷重和桩体上半部分的负摩阻距坡脚距离，m力通过桩侧摩阻力传递于桩端附近土层中，所以在加荷载后瞬时，桩问土发生沉降，上部路堤填料中的土拱效应进一步加强，格室的提拉作用进一步发挥，路堤荷载逐渐向桩托板转移，桩体上部的负摩阻力也进一步增大，桩～土一格室发挥一体作用效果。图6和图7为格室模量为600MPa和900MPa时的路基变形曲线。在格室模量为600MPa时，不同格室高度对沉降的影响并不是很大，由5cm时的4．994cm，减小到30cm的4．271cm。可见，减小趋势并不是很明显，而且同沉降曲线图中可以看出，其最大沉降出现的位置随着格室高度的增加逐渐向路肩方向移动。距坡脚距离Ira图7路基变形随格室高度的变化(900MPa)图1O表示了路基的侧向位移和沉降之间的关系。侧向位移／ram从图中可以看出：在桩承式加筋路基的条件下，路基的侧向位移和沉降之间呈正相关关系，沉降随着侧向位移的增大而增大。图11所示，在格室不同模量的情况下，不均匀沉降与格室高度之间的关系。从图中能看出随着高度的增加，路基的差异沉降在逐渐减小，特别是不同模量之间，差异沉降减小明显。格室高度，cm图6路基变形随格室高度的变化(600MPa)当模量增加到900MPa时，格室高度达到10cm后，沉降基本保持不变。图8所示，在不同模量的情况下，格室高度与最大沉降的关系。曲线变化平缓，呈逐渐增加的线性关系，不同模量之间的变化较为明显。同样，图9表示的是最大侧向位移与格室高度的关系。从图中可以看出，图8最大沉降随格室高度变化关系格室高度的增加能较为轻缓的减小路基的侧向位移，No．22010上冯么堍31 ◎s一⋯一s格室高度／cm3结语桩顶上设置桩帽，并在路堤上铺设一层土工格室来模拟桩承式加筋路堤的变形。在计算时，分别针对格室不同高度以及不同模量对新老路基的影响，其中昌{(1)土工格室的高度，分别取5cm、10cm、15cm、浊20cm和30CITI；(2)土工格室弹性模量，300MPa、厘量l600MPa、900MPa和1500MPa；_K计算结果表明：(1)在相同模量情况下，随着格室高度的增加，地基沉降逐渐减小。当模量为300MPa时，格室高度为5CFI1时，最大沉降和差异沉降分别达到7．336cm和图9最大侧向变形随格室高度变化关系3．444cm；当格室高度达到30cIn时，两者分别减小到侧向位移[cm5．246cm和3．131cm。本章计算结果表明，格室高度达到10CIIl时，取得较好的效果，此后高度再增加时，效果并不明显。(2)格室的模量对变形有着明显的影响。随着模量的增大，路基最大沉降、差异沉降明显减小。以格室高度为10cm的情况为例，当模量在300MPa时，差异沉降为3．242cm；当格室模量增加到l500MPa时，差异沉降只有1．686crn，减幅明显；同时侧向位移也由7．88mm降低到2．333mm。计算还表明：路基图10侧向位移和沉降的关系的侧向位移和沉降之间呈线性正相关的关系。格室高度／era参考文献：[1]贾宁．软土地基高速公路拓宽的沉降性状及处理研究[D]．杭州：浙江大学，2004．唇{EB3汪浩．新老高速公路结合部处治技术研究ED3．南京：东南凿映大学，2004．E33朱湘．软土地基格栅加筋路堤结构性能研究[D]．南京：东南大学，2000．E43夏力农王星华．桩体材料弹性模量对桩基负摩阻力特性图11不同模量下。差异沉降与格室高度的关系的影响El3．防灾减灾工程学报，2006，2：143—146．32上魂No．22010