塑料排水板與粉噴樁處治軟基拓寬路堤數(shù)值模擬

王 卉，蔣 鑫，付用國，胡津銘，古含焱，邱延峻

塑料排水板與粉噴樁處治軟基拓寬路堤數(shù)值模擬

王 卉，蔣 鑫，付用國，胡津銘，古含焱，邱延峻

（1. 西南交通大學，土木工程學院，成都 610031；2. 西南交通大學，道路工程四川省重點實驗室，成都 610031；3. 西南交通大學，高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031）

為明確塑料排水板與粉噴樁綜合處治軟土地基拓寬路堤的效果及其力學機理，以粉噴樁作為過渡區(qū)，通過建立三維非線性有限元數(shù)值模型，分析了新路堤填筑期間舊路基面豎向位移、新舊路基拼接處地基水平位移和地基超孔隙水壓的分布，以及新路基工后新舊路基面的沉降變化，討論了塑料排水板和粉噴樁綜合處治時粉噴樁過渡區(qū)范圍的適宜值。研究成果可為軟土地基拓寬路堤的設計優(yōu)化提供科學指導。

軟土地基路堤拓寬；粉噴樁；塑料排水板；三維有限元法；設計優(yōu)化

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展，日益增加的交通量使路網(wǎng)承受的壓力與日俱增[1, 2]，道路拓寬作為行之有效的應對方案，日益受到重視。而路基拼接拓寬時新路堤地基處理、新路堤的填筑施工無疑將對舊路基產(chǎn)生擾動，這在軟土地基中表現(xiàn)尤為明顯。為保證拓寬路基填筑過程中舊路基的正常安全運營，及新舊路基共同運營期間差異沉降的控制，避免新舊路基間縱向裂縫的產(chǎn)生，人們提出了諸多地基處理對策，包括作為豎向排水體法的塑料排水板、作為復合地基法的粉噴樁等，并開展了這些處治方案的優(yōu)化分析。其代表性的研究工作有：高吉等研究認為布樁范圍的水平增大可以減小路堤的豎向位移[3]；趙志峰等則進一步研究了高大邊坡路基的單側加寬，認為樁體宜布設在新路基坡腳至新路肩范圍內(nèi)[4]；劉觀仕等分析了樁的參數(shù)及布置等因素對路基差異沉降的影響[5]；Kamash等探究了樁距分別對加寬路基和原有路基的影響[6]。在單一考慮某種地基處理方案的基礎上，一些研究者則注意到應綜合處治：Zhu等討論了路基中心設單樁、周邊采用塑料排水板的方案[7]；劉松玉則提出了排水粉噴樁的加固方法[8]。總體上看，直接針對路基改擴建工程提出以粉噴樁作為過渡區(qū)，塑料排水板+粉噴樁綜合處治軟土地基拓寬路堤的相關研究報道甚為鮮見。

路基拼接方式的選擇上，前期研究表明，相較于雙側拼接式和分離式拓寬等主流拓寬方式，單側拼接式拓寬路基表面差異沉降更大[9]，更需引起重視。地基處治方案的討論中，早年Jiang等曾開展了塑料排水板、粉噴樁分別處治軟土地基拓寬路堤的平面應變有限元分析，認為二者單獨處治時各有優(yōu)劣[10]。而在模型形式和軟件選擇上，Chai等和Jamsawang等分別將二維和三維有限元分析的結果與實測結果及全尺寸試驗結果對比，認為樁的平面應變過程會對模擬結果造成一定的誤差并提出了修正意見[11, 12]；Sobhanmanesh 等 和Bergado等分別將PLAXIS 3D仿真分析結果與離心模型試驗、全尺寸試驗結果比較，發(fā)現(xiàn)三者較為吻合[13, 14]。因此，本文通過PLAXIS 3D軟件，建立粉噴樁+塑料排水板綜合處治軟土地基拓寬路堤的三維有限元模型，分析新路基填筑期間和工后的路基面差異沉降、拼接處坡腳地基水平位移等力學響應，嘗試采用超孔隙水壓闡述其機理，探討粉噴樁作為過渡區(qū)適宜的處治范圍。

1 三維有限元模型的建立

考慮到單側拼接式拓寬對沉降的影響較大，更需給予重視，故以26m寬雙向四車道高速公路單側拼接式拓寬16m，形成42m寬的雙向八車道為例展開分析。老路堤高6m，邊坡的坡比為1∶1.5，地基上層為14m厚淤泥質(zhì)黏土，其下為密實砂土。地下水位位于地表下1m處。新路堤下軟土地基擬采用粉噴樁和塑料排水板綜合處治，粉噴樁靠近老路堤，塑料排水板則遠離老路堤，以盡量減小其在施工中對老路堤的過大擾動。其中粉噴樁長15m，穿透淤泥質(zhì)黏土進入密實砂土中，平面布置形式為方形，樁徑0.5m，樁距1.3m；塑料排水板則為100mm×4mm的標準排水板，長度14m恰貫穿淤泥質(zhì)黏土層，亦呈間距為1.3m的方形布置。新路基底部設0.5m厚砂墊層以便于橫向排水及協(xié)調(diào)作用于樁土上的荷載，具體如圖1所示，尺寸單位為m。

實際建模過程中，為節(jié)約機時、減少存儲，取縱向一跨（即1.3m）為計算域，同時取模型的橫向?qū)挾葹?00m，密實砂土層取5m厚，以盡量減少邊界條件的影響。視所有土層均為Mohr- Coulomb材料，采用實體置換的方式模擬粉噴樁，并視為理想線彈性體；而塑料排水板則直接使用軟件內(nèi)嵌的“排水線”單元予以模擬，在該單元處超孔隙水壓視為零。參考文獻[15]，可知淤泥質(zhì)黏土為不排水材料，其他土層材料則為排水材料，淤泥質(zhì)黏土和密實砂土的界面強度系數(shù)inter均為0.65，各土層及粉噴樁的剩余材料參數(shù)詳見表1所列。

采用10節(jié)點四面體單元離散模型[16]，離散后的網(wǎng)格如圖2所示。模型左右側向位移約束、不排水；前后側向位移約束、不排水；底側位移完全固定，排水；地表自由且可以排水。

圖1 幾何模型示意

表1 材料參數(shù)

首先采用K0過程方式生成地基的初始應力；然后假定舊路基一次性建成，歷時330d，3年后予以拓寬。保留此時的應力，重置位移為零，以計算新路基填筑期間產(chǎn)生的土體位移。新路基分6層填筑，其中第1層為0.5m砂墊層+0.5m新路堤，其后每層均為1m，填筑速率為30d/m，每層填筑完成后施工間歇30d。新路基填筑完成后，再次重置位移為零，以計算新路基工后沉降。具體施工流程見圖3。

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 施工安排

2 主要計算結果分析及討論

2.1 新路基填筑期間土體豎向位移

圖4為新路基下地基全部采用塑料排水板處治、塑料排水板與粉噴樁各處治一半寬度、全部采用粉噴樁處治時新路基填筑期間舊路基頂面豎向位移分布。為便于更好地平行比較，設定圖4中3幅小圖的橫、縱坐標比例均彼此完全相同。可見，隨著新路基自下而上逐層填筑，即隨著新路堤填筑高度的增加，舊路基頂面的豎向位移也逐漸增大，且表現(xiàn)為舊路基大半左側頂面因新路基施工擾動產(chǎn)生隆起，小半右側頂面則發(fā)生沉降。隨著粉噴樁處治范圍的增加，隆起與沉降的轉折點小幅度地向路基中心線移動。同時，全部采用塑料排水板處治時舊路基頂面位移最大，塑料排水板與粉噴樁各處治一半寬度、全部采用粉噴樁處治兩種工況下舊路基頂面位移相差則不大。這意味著從減小新路基填筑施工對老路基擾動的角度出發(fā)，粉噴樁所發(fā)揮的過渡作用明顯，且其處治范圍達到一定值后即與全部采用粉噴樁的方案效果相仿。故粉噴樁勿需全范圍實施，從而實現(xiàn)技術性與經(jīng)濟性的良好協(xié)調(diào)。

圖4 新路基填筑期間舊路基頂面豎向位移

為消除量綱影響，定義新路堤填筑施工期間舊路基的橫坡為舊路基面中心線處沉降與新舊路基拼接處舊路基面沉降之差與這兩沉降點水平距離的百分比[17]，圖5為舊路基的橫坡隨著新路堤逐層填筑的動態(tài)演變關系曲線。隨著新路堤的逐層填筑，舊路基橫坡呈非線性增大，且全部采用塑料排水板處治時，舊路基橫坡明顯大于塑料排水板與粉噴樁二者各處治一半寬度、全部采用粉噴樁處治這兩種工況，塑料排水板與粉噴樁二者各處治一半寬度與全部采用粉噴樁處治這兩種工況下舊路基橫坡相差甚小，這無疑進一步印證了前文所述結論。

圖5 舊路基橫坡隨新路基逐層填筑的演變

圖6為新路基填筑完成時土體的沉降分布云圖（取自計算模型的縱向中截面，即=0.65m處）。全部采用塑料排水板處治時，沉降集中分布于新路基中心偏右路肩處，隨著粉噴樁處治范圍的增大，沉降中心逐漸向兩側移動，最終集中在新路基靠近拼接處一側，同時沉降值比全部采用塑料排水板處治時明顯減小。

圖6 新路基填筑完成時沉降（單位：mm）

2.2 新路基填筑期間土體水平位移

圖7給出了隨著新路堤的逐層填筑，新舊路基拼接處坡腳地基-′剖面水平位移沿深度的分布。宏觀上看，對于前述3種工況，均表現(xiàn)為密實砂土層水平位移較小且變化不大，而淤泥質(zhì)黏土層的水平位移則變化劇烈且各自分布規(guī)律不盡相同。全部采用塑料排水板處治時，水平位移均鼓向舊路基側，隨填筑高度的增加而增大，但增大幅度有所減弱，填筑至后期時，最大側向位移由地表下約3m處轉移至地表。粉噴樁與塑料排水板處治寬度各占一半時，隨著新路基的填筑，地基側向位移初期向老路基側鼓出，而后逐漸鼓向新路基側（本例中新路堤填筑第5層時即出現(xiàn)正向位移）。而全部采用粉噴樁處治時，水平位移從新路基填筑第4層即出現(xiàn)正向位移，并鼓向新路基，且前期水平位移明顯小于粉噴樁與塑料排水板各處治一半寬度的工況。總體上看粉噴樁與塑料排水板各處治一半寬度、全部采用粉噴樁處治這兩種工況下地基的側向位移均明顯小于全部采用塑料排水板處治的工況，采用粉噴樁作為過渡后再實施塑料排水板的處治對削減新路基填筑對老路基的擾動效果顯著。

圖7 新路基填筑期間新舊路基拼接處坡腳地基剖面的水平位移分布

圖8為新路基填筑完成時土體水平位移分布云圖。塑料排水板和粉噴樁綜合處治時舊路基下方地基水平位移分布與全部采用粉噴樁處治時相似，由于粉噴樁過渡作用的發(fā)揮，大大減小了塑料排水板對舊路基地基的擾動。拼接路基側由于粉噴樁對地基強度的改善與塑料排水板加速排水的綜合作用，使舊路基的最大位移遷移到拼接路堤邊坡處，同時路堤中朝向舊路基的最大位移發(fā)生在粉噴樁處治邊緣對應的拼接路基處。

圖8 填筑完成時路基水平位移（單位：mm）

全部采用塑料排水板處治和全部采用粉噴樁處治時水平位移變化形式相似，皆為新路堤下土體向兩側擠壓，且最大位移在地表以下。區(qū)別在于全部采用粉噴樁處治時最大位移接近地表，而全部采用塑料排水板處治時地表下土體水平位移則隨深度增加先增大后減小。因粉噴樁對土體的加強，加固區(qū)遠離舊路堤方向的水平位移發(fā)生在拼接路堤坡腳附近，舊路堤下方遠離新路堤方向的水平位移則距離粉噴樁較遠（與僅塑料排水板處治相比）。二者同時作用，帶動新路堤朝向舊路堤的水平位移在拼接處舊路堤坡腳方向呈斜向帶狀分布。隨著粉噴樁處治寬度的增加，新路基的填筑對舊路基水平方向的擾動減小，減小幅值也迅速減小。

2.3 新路基填筑期間土體超孔隙水壓

新路基填筑過程中地基超孔隙水壓分布云圖見圖9。可以看出，全部采用塑料排水板處治時地基內(nèi)超孔隙水壓近似為塑料排水板與粉噴樁共同處治時的2倍，后者超孔隙水壓則與全部采用粉噴樁處治時相差無幾。超孔隙水壓隨粉噴樁過渡區(qū)的加寬而減小，且后期減小幅度亦減小，將粉噴樁作為過渡區(qū)在技術上具有良好的可行性。

圖9 新路基填筑期間超孔隙水壓分布（單位：kPa）

2.4 新路基填筑完成工后豎向位移

考慮到高速公路瀝青路面設計使用年限為15年，參照文獻[18]之規(guī)定，考察新路基工后15年新舊路基面豎向位移。經(jīng)初步試算，發(fā)現(xiàn)新路基填筑完成工后前三年路基面沉降變化稍大，故取工后1、2、3、7、15年新舊路基頂面豎向位移描述新路基工后路基面沉降的變化，具體見圖10。

圖10 新舊路基面工后沉降

縱觀3種工況，沉降在遠離拼接處一側舊路基的路肩幾乎無變化，在接近拼接處的過程中逐漸增大，并在拼接處附近達到極值而后逐漸減小。全部采用塑料排水板處治時新舊路基頂面工后沉降呈V字型，新舊路基拼接處沉降最大，隨著粉噴樁過渡區(qū)的擴大，最大沉降處迅速轉移至距左側路肩23m處且不再變化。粉噴樁處治范圍超過新路基一半時，整體沉降呈盆形，變化較緩且在新路基路肩處出現(xiàn)小范圍的局部穩(wěn)定，最大沉降位于拼接處偏舊路基側。

由于最大豎向位移集中在拼接處稍靠左側的位置，且此處距新舊路基面中心線不遠，最小位移則幾乎固定在新路基右側路肩處。為了更好地表現(xiàn)差異沉降、消除量綱且考慮路表排水等功能性要求，不妨定義工后橫坡為新舊路基面距左側路肩23m處（絕大多數(shù)工況最大豎向位移處，其他工況最大豎向位移處與其相近，且沉降值相差不多）與新路基路肩的沉降差與這兩沉降水平點距離的百分比[19]。圖11為3種工況路基頂面工后橫坡隨新路基工后時間的變化，其均在新路基工后前三年迅速增加且增長量逐年遞減，而后趨于平穩(wěn)直至到達設計使用年限。全部采用塑料排水板處治時的工后橫坡最小，這是由于新路基地基排水固結大部分已在施工期完成，工后固結較少，幾乎都是因舊路基地基超孔隙水壓消散所引起的差異沉降。另外兩種工況則由于粉噴樁的存在減弱了施工期間新路基地基的排水，故工后差異沉降還包括粉噴樁過渡段地基超孔隙水壓力消散導致的沉降。而在粉噴樁處治范圍超過一半新路基底面后，對排水的影響沒有粉噴樁從無到占一半寬度時明顯，故塑料排水板與粉噴樁各處治一半寬度和全部采用粉噴樁處治時相比較，二者工后橫坡之間的差異小于前者與全部采用塑料排水板處治時工后橫坡的差異。

圖11 新舊路基面工后橫坡變化

3 粉噴樁過渡區(qū)適宜范圍的討論

粉噴樁過渡區(qū)最優(yōu)范圍的確定應在保證減小新路基施工期間對老路基擾動和工后路基面橫坡變化的基礎上兼顧經(jīng)濟性。為了更具普適性，引入粉噴樁處治寬度與新路基基底寬度的比值，該值無量綱，取值范圍為[0，100%]，其中=0、=100%分別表示全部采用塑料排水板處治、全部采用粉噴樁處治，若該值介于0與100%之間，則表示粉噴樁與塑料排水板綜合使用。隨著的增加，用于發(fā)揮過渡作用的粉噴樁處治范圍隨之增大。

圖12分別為新路基填筑完成時舊路基的橫坡、工后新老路基的橫坡和粉噴樁處治寬度與新路基基底寬度的比值的關系。根據(jù)該圖可知新路基工后15年新舊路基的橫坡遠遠小于新路基填筑完成時舊路基的橫坡，新路基填筑完成時舊路基橫坡隨粉噴樁處治范圍的擴大而迅速減小，并在粉噴樁處治超過30%新路基底面寬度后趨于平穩(wěn)；而新路基工后15年新舊路基面橫坡則隨著粉噴樁處治范圍的增大呈現(xiàn)初期平緩、后快速增大、再基本平緩的趨勢。實際工程中應全面考慮新路基填筑完成時舊路基橫坡、新路基工后15年新舊路基橫坡這兩個因素，經(jīng)綜合權衡后確定粉噴樁適宜的處治過渡范圍。在本例條件下，即單側路基加寬確定粉噴樁與塑料排水板綜合處治時，建議粉噴樁處治寬度約占新路基底面寬度的30%～40%。

圖12 粉噴樁處治范圍與橫坡關系

4 結論與建議

（1）新路基填筑期間，舊路基頂面受到的擾動以路基面中心為界，在遠離拼接處一側以隆起為主，靠近拼接處一側則為沉降。隨著粉噴樁過渡區(qū)范圍的擴大，舊路基頂面豎向位移、拼接處地基水平位移以及舊路基下方地基的超孔隙水壓皆逐漸減小，變化的范圍隨之縮小，呈現(xiàn)出相似的先快速增加后趨于平穩(wěn)的過程。

（2）新路基填筑完成后，新舊路基頂面沉降迅速發(fā)展并穩(wěn)定，其沉降隨粉噴樁過渡區(qū)范圍的增大而減小，變化幅度同樣為先大后小。粉噴樁作為過渡區(qū)占新路基底面一半寬度時，工后橫坡穩(wěn)定值小于僅粉噴樁或塑料排水板處治地基的橫坡。

（3）綜合新路基填筑完成時和工后的橫坡變化，軟土地基單側拼接式拓寬路基采用粉噴樁與塑料排水板綜合處治地基時，粉噴樁過渡區(qū)寬度為新路基基底的30%～40%為推薦方案。

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Numerical Simulation for Widening Embankments on Soft Ground Improved by Plastic Drainage Plates and DJM Piles

WANG Hui, JIANG Xin, FU Yong-guo, HU Jin-ming, GU Han-yan, QIU Yan-jun

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Highway Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China）

To further clarify the treatment effect and mechanical mechanism of Plastic Drainage Plates (PDPs) and Dry Jet Mixing (DJM) piles in treating soft soil for widening the embankment of soft ground, a three-dimensional nonlinear finite element numerical model is established, in which the DJM piles are used as the transition zone. The vertical displacement of the old embankment surface, the horizontal displacement of the foundation at the joint of the old and the new subgrades, the distribution of the excess pore water pressure of the foundation during the construction of the new embankment, and the settlement change of the embankment surface after the new embankment completed are analyzed. The suitable value of the transition zone for DJM piles is discussed when the PDPs and DJM piles are used comprehensively. The research results provide scientific guidance for the optimal design for widening embankments on soft ground.

widening embankments on soft ground; DJM piles; plastic drainage plate; three-dimensional finite element method; optimal design

1672-4747（2021）03-0083-10

U416.1

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2020.10.001

2020-10-09

2020-12-26

2021-05-06

四川省科技計劃項目（2019YFS0492）；西南交通大學重點實驗室向本科生開放工程實踐項目（ZD2020010010）

王卉（1995—），女，遼寧錦州人，研究方向為路基工程，E-mail：2998205524@qq.com

蔣鑫（1976—），男，湖南永州人，教授，研究方向為路基路面工程，E-mail：xjiang01@163.com

王卉，蔣鑫，付用國，等. 塑料排水板與粉噴樁處治軟基拓寬路堤數(shù)值模擬[J]. 交通運輸工程與信息學報，2021, 19(3): 83-92.

WANG Hui, JIANG Xin, FU Yong-guo, et al. Numerical Simulation for Widening Embankments on Soft Ground Improved by Plastic Drainage Plates and DJM Piles [J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(3): 83-92.

（責任編輯：劉娉婷）