公路涵洞地基處理的數值模擬分析

武金博 鄭小毅

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

公路涵洞地基處理的數值模擬分析

武金博 鄭小毅

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

在介紹涵洞地基處理原則的基礎上，通過數值模擬，對高填方涵洞采用不同地基處理方法的效果進行了模擬分析，得出了各地基處理方法下涵洞位移規律和土壓力規律，對比了各種地基處理方法的效果，為涵洞地基處理提供參考依據。

公路涵洞，地基處理，數值模擬

0 引言

地基大致可分為柔性地基和剛性地基，柔性地基剛度小，抵抗形變能力弱，理論表明，在設計涵洞的過程中，高填路堤下涵洞，不必將地基承載力設計得過高。高承載力人工地基與周圍天然地基的剛度差異大，會導致涵體與相鄰路基的差異沉降，從而引起涵洞應力集中。地基在涵洞施工和路堤填筑的過程中會逐漸壓密，從而使其承載力有一定的增長，此外涵洞兩側路堤填土產生旁壓荷載，能夠約束地基土的側向滑移，從而提高地基的承載力。因此，對地基承載力和涵洞受力進行分析后，再根據實際承載力要求來進行涵洞地基處理有利于改善涵洞受力條件并降低地基處理費用。

1 數值模擬建模

本文利用PLAXIS有限元分析軟件，選取一個典型路段作為分析對象，建立暗埋式公路涵洞模型，采用15節點平面三角形單元進行網格劃分，針對高填方路段軟土地基上的公路涵洞進行地基處理分析，幾何模型如圖1所示。所采用的計算參數為：路基上方填土高度18 m，土體壓縮模量Es=30 MPa，泊松比為μ=0.30，粘聚力c=0.1 kPa，內摩擦角為φ=32°，天然重度為γ=18 kN/m3。涵洞地基巖土自上而下依次為2 m厚的粘土層和8 m厚的老粘土，2 m厚粘土層壓縮模量Es=10 MPa，泊松比為μ=0.30，粘聚力c=0.1 kPa，內摩擦角為φ=30°，天然重度為γ=18 kN/m3；8 m厚老粘土層壓縮模量Es=20 MPa，泊松比為μ=0.35，粘聚力c=25 kPa，內摩擦角為φ=18°，天然重度為γ=18 kN/m3。建立寬2 m，高2 m的混凝土拱涵，底部為總寬4 m的混凝土基礎。

針對換填法和柔性樁復合地基這兩種地基處理方式，分別建立模型進行分析，換填材料的物理參數分別為壓縮模量Es=100 MPa，泊松比μ=0.3，粘聚力c=0.1 kPa，內摩擦角為φ=30°，天然重度為γ=18 kN/m3；底基層的物理參數定為Es=20 MPa，泊松比為μ=0.30，粘聚力c=1 kPa，內摩擦角為φ=30°，天然重度為γ=18 kN/m3。柔性樁的參數為壓縮模量Es=100 MPa，泊松比為μ=0.3，粘聚力c=10 kPa，內摩擦角為φ=30°，天然重度為γ=18 kN/m3。

2 數值模擬結果

2.1 換填法

除了地基土、路堤填土、涵洞及換填材料本身材料的參數以外，影響涵體沉降量的主要是換填范圍，即換填厚度和換填區域的寬度。同時，涵體的沉降又影響著涵洞周圍的土壓力。

2.1.1 不同墊層厚度的影響

研究換填的過程中，采用了固定其他參數，控制一個變量的方法來比較沉降量等與換填法處理范圍的關系。首先取換填寬度為20 m，改變換填區的厚度，來比較沉降量隨換填范圍的變化規律。換填深度由1 m逐漸增加至6 m，分別計算換填厚度為1 m,2 m,3 m,4 m,5 m,6 m時對應的路堤沉降量及未進行換填時路堤沉降量，結果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可以看出，隨著墊層厚度的增加，涵體沉降、涵頂和涵底土壓力均會不斷變化。隨著換填墊層厚度的增加，涵體的沉降量不斷減小，而涵頂和涵底的土壓力會逐漸增加。當換填厚度大于4 m后，涵體沉降量的變化率不斷減小，涵頂土壓力和涵底土壓力開始趨于穩定。同時，比較圖3和圖4，可以看出涵底土壓力遠小于涵頂土壓力。引起這一現象的原因是涵體本身剛度較大，涵體與其兩側土體壓縮變形存在較大的差異，涵頂兩側土體較大的沉降會“拖動”涵頂上部土體，引起涵頂上部土壓力集中現象。同時，涵底發生向下“刺入”路基現象，兩側土體又對涵洞底部產生向上的“拖拽力”，從而引起基底壓力減小。

2.1.2 不同墊層寬度的影響

數值模擬時，保持墊層厚度為3 m，通過改變換填區域的寬度，分析墊層寬度對涵體位移及涵周土壓力的影響規律。下文換填寬度指換填區域的總寬度，換填區域以涵洞的中軸線為對稱軸向兩邊等量加寬，來對比墊層厚度為3 m的情況下，換填寬度分別為8 m,12 m,16 m,20 m,24 m,28 m,32 m時的涵體沉降及涵周土壓力的變化情況，數值計算結果如圖5～圖7所示。

從圖5～圖7可以看出，沉降量隨處理寬度的增加而緩慢降低，涵洞頂部和底部的土壓力在墊層寬度為8 m～12 m左右時達到最大，而后隨著墊層寬度的增加而逐漸減小。在保證沉降量達到要求的同時還需要注意涵洞周圍的土壓力，土壓力應控制在合理的范圍內，以免引起涵洞構造物過大的內力。

2.2 柔性樁復合地基

數值模擬柔性樁復合地基中，柔性樁的直徑取0.5 m，參照換填法的處理范圍，將柔性樁的樁長定為3 m，改變樁距分析柔性樁復合地基對沉降量的影響，對比樁間凈距分別為1倍,2倍和3倍樁徑時的涵體沉降量(見表1)。

在3 m樁長的情況下，1倍,2倍和3倍樁徑間距的柔性樁復合地基的沉降量相差不大，涵洞頂部土壓力變化也不大。其中，1倍樁徑的沉降量最小約為230 mm，柔性樁復合地基的沉降量隨樁距的增大有一定的增大。由有限元分析可看出，柔性樁復合地基的應力集中在復合地基的頂面，即引起涵底土壓力的增大相對明顯。柔性樁復合地基在處理深度同為3 m的條件下，2倍樁徑間距的處理效果接近等寬度的換填法的處理效果。

表1 柔性樁不同樁間凈距對應的地基沉降量

剛性樁雖然具有相對較好的控沉效果，但其與土體剛性相差過大時，樁周土體很容易進入破壞狀態，樁體強度不能充分發揮。對比柔性樁，涵洞頂部的應力集中現象較為嚴重，土壓力過大會導致涵洞的破壞，在此不作論述。

2.3 處理效果對比

為對比換填法和柔性樁兩種處理方式的處理效果，數值模擬過程中設定地基加固區寬度為8 m，取樁間凈距為2倍樁徑的柔性樁復合地基與換填法處理后的涵體沉降量、涵頂土壓力做對比。

從圖8和圖9中可以看出，換填法控制沉降效果優于柔性樁復合地基，柔性樁復合地基處理后，洞頂壓力變化小，同時涵頂土壓力也較小。因施工成本限制，換填法處理地基深度一般不超過3 m，綜合比較土壓力、沉降量以及經濟性，對于軟土地基高填方涵洞可采用柔性樁復合地基進行處理。

3 結語

1)涵體沉降量隨換填深度的增加而減少，在換填深度為1 m～3 m時，涵體沉降減小較快。換填深度一定時，換填法處理后地基的沉降量隨換填范圍的加寬逐漸減小，趨勢較為平緩。

2)柔性樁在0.5 m樁徑，樁間凈距為2倍樁徑的情況下，樁長在3 m～6 m之間時，涵體沉降減小較快，涵洞頂部和底部受力情況隨沉降量變化趨勢較平緩。因此，在高填方公路涵洞路段，3 m～6 m左右的樁長較為合理。

3)對換填法、柔性樁復合地基的處理效果進行了對比分析。從換填法控制沉降效果優于柔性樁復合地基，柔性樁復合地基處理后，洞頂壓力變化小，同時涵頂土壓力也較小。因施工成本限制，換填法處理地基深度一般不超過3 m，綜合比較土壓力、沉降量以及經濟性，對于軟土地基高填方涵洞可采用柔性樁復合地基進行處理。

[1] 馬 強,鄭俊杰,張 軍.高填方涵洞加筋橋減載的現場試驗研究[J].巖土力學,2012,33(8):2337-2342.

[2] 鄭俊杰,馬 強,張 軍.加筋減載涵洞的涵頂土壓力計算[J].巖土工程學報,2011,33(7):1135-1141.

[3] 鄭俊杰,馬 強,陳保國.高填方涵洞地基承載力分析[J].華中科技大學學報(自然科學版),2009,37(4):115-118.

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[5] 鄭俊杰，陳保國，張世飆.溝埋式涵洞非線性土壓力試驗研究與數值模擬[J].巖土工程學報，2008，30(12)：1771-1777.

Numerical simulation analysis of highway culvert foundation treatment

WU Jin-bo ZHENG Xiao-yi

(ChinaCommunication2ndHighwaySurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Wuhan430000,China)

The paper introduces culvert foundation treatment principles, simulates high-filling culvert effects with various foundation treatment methods, achieves culvert displacement law and soil pressure law under various foundation treatment methods, and compares their treatment effects, which has provided some basis for other culvert foundation treatment.

highway culvert, foundation treatment, numerical simulation

1009-6825(2014)30-0097-03

2014-08-15

武金博(1983- )，男，碩士，工程師； 鄭小毅(1982- )，男，碩士，工程師

TU472

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