大型箱涵作用下高填石路基沉降控制方法的研究

于平湖

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074)

1 概述

貴州省某環城高速公路的一匝道要上跨公路主線，該路段填筑好該主線的路基，高度超過30m，已到達設計標高，填料為附近工程的土石，且事先已采用強夯的方式將該段路基填筑完成。因考慮到在高填石路基中施工樁基存在困難，故采用箱涵（框架橋）直接放置在填石路基上（設計圖見圖1）替代原設計連續箱梁的方案，以方便施工和保證工期需要。為盡量減小出現不均勻沉降的可能性，在框架底一定深度范圍設加固處理區，希望通過比較經濟合理的方式，改善下方填石路基的整體性。在本研究中，填石路基在其較大堤身自重應力和上部箱涵荷載作用下難免會產生較大的壓縮變形和地基沉降，進而導致路基頂面產生較大的不均勻沉降，甚至與大型箱涵產生脫空，造成路面無法使用，嚴重影響行車安全。為了避免該路段出現不均勻沉降等病害，以ABAQUS 軟件數值模擬分析結果為依據，針對性地提出了大型箱涵作用下高填石路基的沉降控制方法。

圖1 設計方案

2 路基不均勻沉降的處理方法

針對路基的沉降變形問題，李占鋒[1]，陳亮、沈軍輝[2]都進行了相應的變形特征及原因分析，然后用數值模擬分析采取處治措施后的改善結果。高成雷[3]基于常泊松比假定，推導了三維Merchant 模型的Prony 級數表達式，在此基礎上以ABAQUS 為工具建立了半填半挖路基沉降計算模型。肖倫斌、陶慶東[4]基于ABAQUS 有限元軟件，采用莫爾－庫侖模型及修正后的劍橋模型參數，分析了山區高速公路某軟土地基路段分層加載預壓過程中的地基土變形的規律。李潔、梁鴻[5]基于ABAQUS 軟件，模擬黃土路基在沖擊壓實技術下豎向位移變化，得到的模擬值在工程誤差允許范圍內。聯系到本項目的特點，需要的是能杜絕或者減少不均勻沉降的地基加固處理，使填石路基在同一條水平線上的不至于產生較大的差異沉降；而不是病害產生后再進行“亡羊補牢”式的處理。

邵臘庚[6]，方磊[7]通過對路基壓實中不同壓實方法和壓實工藝的分析，結合填石料的壓實特性和高填石路堤筑經驗，證明在多石的山區高填方填石路堤，沖擊壓實和振動壓實加上沖擊補強壓實不僅能大幅減少高填方填石體蠕變產生的變形，而且能夠很大程度上改良填石料級配，增加密實度。表明對于填石路基，利用合理的壓實技術可以使填筑體有足夠的強度和穩定性，從而減少不均勻沉降。車競[8]對土工合成材料在填石路堤加固中的應用進行了相關研究，認為土工合成材料加固填石路堤后有利擴散并均勻分布上部結構傳來的荷載、提高路基結構的承載力和安全性能。劉禮英[9]指出可以利用混凝土材料對地基進行保護來改善地基的不均勻沉降現象。

因為土工格柵具有較高的抗拉強度和張拉模量，能將荷載或應力均勻地擴散到較大的面積范圍內，能盡量分散作用于路堤上的荷載壓力，提高路基的整體性，進一步減小不均勻沉降。另外，混凝土材料結構穩定，抗壓性能較強，能夠極大地滿足各種結構工程的需要。路基受壓而導致沉降出現，而混凝土本身的抗壓性能極好，所以把混凝土應用在路基處理上來控制路基的不均勻沉降從經濟和技術層面分析也都是有效可行的。

綜合以上研究，考慮到該工程中填石路基的特性、壓路機補強壓實的填筑技術和土工格柵以及混凝土在加強路基中的應用。在保證加固處治的效果和技術可行以及經濟合理基礎上，本研究針對大型箱涵作用下的高填石路基的處理提出了鋼塑格柵+碾壓混凝土的路基加固措施，以此來減少不均勻沉降并為箱涵的放置提供平穩牢靠的基礎。具體處治方法：在原填石路堤，在箱涵底部設計高度以下一定深度范圍內設土工格柵加固區，增加對填料的橫向約束，改善填石路堤的整體性，并在填石路堤頂部1.5m 范圍內采取碾壓混凝土進行加固處理，形成類似鋼塑格柵增強的混凝土地基板，進而提高地基荷載擴散和承載能力，減少不均勻沉降。

3 材料參數與計算分析

3.1 材料參數

對現場提供的材料進行了室內試驗測試，填石材料參數見表1；碾壓混凝土的重度取22kN/m3，泊松比為0.15；箱涵橫截面面積為107m2，箱涵鋼筋混凝土的重度取26kN/m3；鋼塑格柵材料參數見表2。

表1 填石材料的物理力學參數

表2 鋼塑格柵的物理力學參數

3.2 計算模型

通過對比分析不同工況條件下填石地基在大型箱涵作用下的沉降變形，從而確定最佳的地基處理方案。共包括三種方案：方案1，不做任何處理的原填石路基直接作為箱涵地基；方案2，箱涵底部以下4m 深度范圍內設土工格柵加固區（鋼塑土工格柵層間距0.5m），增加對填料的橫向約束，改善填石路堤的整體性，并在填石路堤頂部1.5m 范圍內采取碾壓混凝土（碾壓混凝土層中也設有層間距0.5m 的鋼塑格柵）進行地基處理；方案3，箱涵底部以下6m 范圍內設置土工格柵加筋層（層間距0.5m），頂部碾壓混凝土地基處理深度也為1.5m，具體方法與第二種方案相同。方案2、3 的路基處理設計斷面見圖2、圖3。

3.3 ABAQUS 數值模擬

對三種方案進行ABAQUS 建模并分析在大型箱涵作用下填石路基的沉降變形。方案1 為高26m，寬51.45m 的原填石路基，方案2、3 在原填石路基上做地基處理，地基處理分析模型見圖2、圖3。填石路基模擬主要借助ABAQUS 軟件內置的Mohr-Coulomb 模型；土體建模采用二維shell 建模，土工格柵用二維線單元建模，用面切割工具切分出不同材料屬性的土體以及開挖的分界線，網格劃分采用四節點平面應變單元；邊界條件，側面約束法向位移，底部約束所有位移，頂部為自由端；荷載方面，施加重力加速度為9.8m/s2，為了模擬工后大型箱涵作用下的荷載，先用通用靜力分析步計算應力，然后用導入OBD 應力結果的方法做地應力平衡，以達到應力為正常應力，位移為零的效果，在此基礎上施加上部荷載（等效箱涵作用的均布荷載72.35kPa），比較三種方案下填石路基的豎向位移變化情況。

圖2 方案2 的路基處理方案分析模型(單位：cm)

圖3 方案3 的路基處理方案分析模型(單位：cm)

方案1、方案2、方案3 的ABAQUS 數值模擬結果見圖4、圖5、圖6；其填石路基的沉降變形結果匯總見表3；三種方案下填石路基豎向位移隨深度變化的結果見圖7。對于大型箱涵作用下的填石路基，方案2 加固處理后沉降變形僅為27.5mm，相比方案171.7mm 的變形量，減少沉降的效果明顯。方案3 與方案2，ABAQUS 數值模擬的最后沉降變形相差4.6mm，表明增加2m 加筋區的深度對填石路基沉降變形改善效果不大。且通過三種方案豎向位移隨深度變化對比后可以看出，方案2、3 進行加固處理后路基的豎向位移隨深度變化曲線，不僅最后的沉降變形值比方案1 小，且其分布曲線較為平緩，斜率較小，說明加固措施能極好地降低填石路基在大型箱涵作用下的不均勻變形。方案2 比方案1 沉降明顯減少，處理效果顯著；方案3 比方案2 只減少了4.6mm 的沉降量，因此，對比數值模擬分析結果，綜合考慮技術經濟和操作的可行性，推薦采用方案2 為填石路基加固處理方案。

圖4 方案1 的地基處理分析模型(單位：cm)

圖5 方案2 的地基處理分析模型(單位：cm)

表3 三個地基處理方案的ABAQUS 數值模擬結果

圖6 方案3 的地基處理分析模型(單位：cm)

圖7 三種方案下填石路基豎向位移隨深度分布對比圖(單位：cm)

4 結論

為避免高山峽谷地區修建橋梁帶來的施工困難和高昂的建設費用，在高速公路的匝道路段修建大型箱涵是一種簡便可行的方法。但必須對路基進行加固處理以降低不均勻沉降對箱涵使用產生的影響。針對該貴州省實際工程項目，通過對比分析數值模擬的結果，對大型箱涵作用下的高填石路基采用方案2（加筋層深度為4m，頂部1.5m 深度范圍內采用碾壓混凝土處理后形成鋼塑土工格柵加筋的混凝土地基板）進行路基的加固處理從而減少不均勻沉降為大型箱涵的放置提供平穩牢靠的基礎。ABAQUS 數值模擬結果表明采用鋼塑格柵+碾壓混凝土加固處理方式能極大的降低填石路基的沉降，表明采用鋼塑格柵+碾壓混凝土對地基的加固處理效果較好。更重要的是提高了路基的整體穩定性能極大削弱不均勻沉降。但對于不同路基與地質情況，其貧混凝土的處理厚度以及鋼塑格柵加筋區深度都需要對實際情況進行分析后確定，以達到經濟合理的效果。