高速公路樁承式加筋路堤沉降規(guī)律數(shù)值分析

張超 ZHANG Chao；王昕 WANG Xin；蒲昌瑜 PU Chang-yu；楊廣慶 YANG Guang-qing

（①河北雄安榮烏高速公路有限公司，保定 071799；②石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043；③河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050021）

0 引言

樁承式加筋路堤是通過(guò)土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)，將大部分的荷載傳遞至樁頂，從而有效地控制了路堤的整體沉降。在樁承式加筋路堤的填筑中，樁體的抗壓剛度遠(yuǎn)大于樁間土的抗壓剛度，在路堤荷載作用下，樁體壓縮變形小于樁間土壓縮變形量。由于樁體和樁間土的差異沉降，會(huì)引起應(yīng)力重分布，使樁體承擔(dān)大部分路堤荷載，從而形成“土拱效應(yīng)”。在上部荷載作用下，水平加筋體向下彎曲，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，同時(shí)路堤填土的側(cè)向推力使水平加筋體產(chǎn)生一個(gè)限制地基土體側(cè)向變形的約束力，從而可以分擔(dān)一部分路堤荷載。這種通過(guò)拉伸變形調(diào)節(jié)差異沉降，限制土體側(cè)向變形的效應(yīng)即為“拉膜效應(yīng)”。在土拱效應(yīng)和拉膜效應(yīng)的共同作用下路堤荷載從樁間土向樁體上轉(zhuǎn)移，從而有效減少樁土間的不均勻沉降。

在樁承式路堤沉降控制研究方面，朱學(xué)敏[1]基于模型試驗(yàn)分了土工格柵筋材抗拉強(qiáng)度和鋪設(shè)層數(shù)對(duì)地基豎向沉降的影響。崔曉艷[2]分析了剛性樁復(fù)合地基沉降分布規(guī)律與豎向應(yīng)力的分布特點(diǎn)。Chen[3]通過(guò)模型試驗(yàn)研究路堤沉降變化規(guī)律以及荷載傳遞規(guī)律。陳仁朋[4-6]對(duì)軟土層未打穿的樁承式路堤進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析填筑過(guò)程中及填筑完成后樁、土壓力、路基沉降及下臥層沉降的變化規(guī)律。費(fèi)康[7]對(duì)低置換率樁承式加筋路堤進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)沉降及側(cè)向水平變形等內(nèi)容進(jìn)行了觀測(cè)分析。張良[8]研究了樁端持力層對(duì)樁承式路基承載特性的影響，測(cè)試了路堤荷載作用下的地基變形、墊層筋帶拉力、路堤基底壓力等數(shù)據(jù)，分析了樁端持力層強(qiáng)度的變化對(duì)樁承式路基的破壞模式、變形和承載特性、筋帶拉力等的影響規(guī)律。

控制路基工后沉降是高速公路路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前關(guān)于樁承式路堤的研究主要集中在承載能力分析以及力的傳遞機(jī)制上，對(duì)樁承式路堤的沉降研究相對(duì)較少。對(duì)軟土地基路堤的設(shè)計(jì)而言，路堤沉降控制尤為重要。由于寬域斷面的路基橫斷面寬度較大，地質(zhì)條件不連續(xù)，因此路基橫斷面荷載的分布特征及變形特性與普通路基存在一定的差異。因此為研究樁承式加筋路堤沉降規(guī)律，本文采用二維有限元模型分析樁長(zhǎng)、樁間距、樁帽寬度和路堤高度對(duì)樁承式加筋路堤路基中心處、中心線右側(cè)和路肩處，路基表面不均勻沉降的影響以及加固區(qū)、下臥層沉降特點(diǎn)，對(duì)寬域斷面路基橫斷面沉降演化進(jìn)行研究。

1 樁承式加筋路堤數(shù)值模型

本文利用有限元軟件ABAQUS建立了二維全斷面有限元模型。樁承式路堤的尺寸如圖1所示。路堤寬度為42m，邊坡比1∶1.5。建立模型時(shí)，為減小邊界效應(yīng)的影響，在地基兩側(cè)各加寬25m。地基軟土、軟弱土連續(xù)分布，深度為30m，有限元模型中軟土地基采用分層設(shè)置。地下水位埋深10m，地下水位以下地基土考慮排水固結(jié)。墊層厚度為0.3m，路堤填土高度3-7m，分層填筑。數(shù)值模型條件與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況一致。

圖1 樁承式加筋路堤斷面圖

軟土采用修正劍橋模型，路堤材料采用摩爾-庫(kù)倫模型，樁與加筋體均采用線彈性模型，參數(shù)如表1所示。模型兩側(cè)約束x方向位移，模型底部約束x、y方向位移。數(shù)值模型中，路堤、樁均以及地下水位以上軟土地基采用4節(jié)點(diǎn)線性平面應(yīng)變四邊形單元CPE4單元，地下水位以下軟土地基采用4節(jié)點(diǎn)應(yīng)力-孔壓耦合單元CPE4P單元，地下水頂面孔隙水壓力pw=0，模擬自由排水邊界。土工格柵采用T2D2單元。

表1 樁承式路堤有限元模型中的材料參數(shù)

2 路基橫斷面沉降規(guī)律

為了進(jìn)一步分析不同影響因素對(duì)路基橫斷面不均勻沉降變化規(guī)律，本小節(jié)通過(guò)有限元方法進(jìn)行分析。

2.1 樁長(zhǎng)

圖2為路基中心處和路肩處加固區(qū)沉降和下臥層沉降隨樁長(zhǎng)變化曲線。可以看出隨著樁長(zhǎng)增加，各觀測(cè)點(diǎn)下臥層沉降值迅速減小，而加固區(qū)沉降略有增加但整體變化不大。其主要原因是樁長(zhǎng)增加，加固區(qū)范圍增加，因此加固區(qū)沉降增加。由于地基總影響深度不變，所以受荷載擾動(dòng)的下臥層深度減小，下臥層沉降減小。由于路肩處為邊坡臨空面，應(yīng)力狀態(tài)與路基中心處存在差異。因此路肩處路降明顯小于路基中心處沉降。

圖2 路基沉降隨樁長(zhǎng)變化曲線

表2為路基橫斷面沉降差，反映了路堤荷載下路基橫斷面的不均勻沉降。隨著樁體長(zhǎng)度增加，路基橫斷面不均勻沉降逐漸減小。對(duì)比樁長(zhǎng)為12m和20m時(shí)路基橫斷面沉降差，可以看出，當(dāng)樁長(zhǎng)增加66.7%時(shí)，路基橫斷面不均勻沉降可減小44.4%。由于下臥層沉降占總沉降比例較大，而樁長(zhǎng)增加可以有效減小下臥層沉降，因此采用較長(zhǎng)的樁體可以有效減小路基沉降以及路基橫斷面的不均勻沉降。

表2 路基橫斷面沉降差

2.2 樁間距

圖3為各觀測(cè)點(diǎn)加固區(qū)沉降和下臥層沉降隨樁間距變化曲線。隨著樁間距增加，加固區(qū)沉降增大，而下臥層沉降變化不明顯。表3為不同樁間距下路基橫斷面不均勻沉降值。可以看出隨著樁間距增大，路基表面不均勻沉降略有增加但變化幅度較小。對(duì)比樁間距為2m和2.8m時(shí)加固區(qū)沉降差，當(dāng)樁間距增加40%時(shí)，加固區(qū)沉降差增加66.7%。可以看出樁間距對(duì)加固區(qū)沉降影響較大。

圖3 路基沉降隨樁間距變化曲線

表3 路基橫斷面沉降差

其主要原因是，樁間距增大單樁承載能力減弱，樁間土承擔(dān)更多荷載，因此加固區(qū)沉降增加。而下臥層主要承擔(dān)樁體和樁間土傳遞的荷載，由于各計(jì)算模型的路堤高度相同，由路堤填土產(chǎn)生的附加荷載相同，因此通過(guò)樁體和樁間土傳遞的總荷載相同，所以下臥層沉降受樁間距影響較小。

2.3 樁帽寬度

圖4為各觀測(cè)點(diǎn)加固區(qū)沉降和下臥層沉降隨樁帽寬度變化曲線。可以看出樁帽寬度增加，加固區(qū)沉降略有減小，而下臥層沉降變化不明顯。其主要原因是隨著樁帽寬度增加，樁體荷載分擔(dān)比增加，樁體承擔(dān)的荷載增加，樁間土承擔(dān)的荷載減小，因此加固區(qū)沉降減小。由于路堤總荷載不變，通過(guò)樁體和樁間土傳遞到下臥層的總荷載相同，因此下臥層沉降基本不變。

圖4 路基沉降隨樁帽寬度變化曲線

表4為樁凈間距（s-a）相同是路基沉降變化。可以看出，樁帽較大的模型，地基總沉降和路基橫斷面不均勻沉降較小。因?yàn)楫?dāng)樁凈間距相同時(shí)，樁帽較大的模型荷載分擔(dān)比較大，樁體承載能力較高。因此從沉降控制考慮，當(dāng)樁凈間距相同時(shí)，建議采用大樁帽設(shè)計(jì)。

表4 a=0.8m和s=2.2m路基沉降變化

2.4 路堤高度

圖5為路基中心處和路肩處地基沉降隨路堤高度變化曲線。可以看出，路堤高度增加，各計(jì)算模型加固區(qū)和下臥層沉降都有一定增加，但是下臥層沉降值增長(zhǎng)更大。其主要原因是，下臥層承擔(dān)樁體和樁間土傳來(lái)的全部荷載，所以受路堤高度的影響較大，沉降值增長(zhǎng)顯著。

圖5 路基沉降隨路堤高度變化曲線

表5為不同路堤高度下路基橫斷面不均勻沉降值。可以看出隨著路堤高度增大，路基表面不均勻沉降迅速增加，當(dāng)路堤高度較高時(shí)（H＞5.3m）路基橫斷面沉降差基本穩(wěn)定。路基橫斷面不均勻沉降主要受下臥層沉降影響，下臥層處的不均勻沉降變化規(guī)律與路基橫斷面不均勻沉降變化規(guī)律一致。其主要原因是下臥層沉降與地基土體固結(jié)有關(guān)，孔隙水受壓逐漸排除，孔隙比減小，沉降增大。因此隨著路堤填筑高度的增加路堤沉降逐漸增大。當(dāng)路堤荷載達(dá)到一定值后，軟土地基固結(jié)完成，下臥層沉降基本穩(wěn)定。

表5 路基橫斷面沉降差

綜上所述，增加樁長(zhǎng)、樁帽寬度和減小樁間距、路堤高度都能減小路基沉降。從橫斷面荷載變化規(guī)律上看，路基橫斷面沉降變化規(guī)律與觀測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)，從路基中心向路肩方向，沉降值逐漸減小，并且在路肩處沉降值迅速下降。

3 小結(jié)

本文基于二維有限元模型，分析對(duì)比路基中心處、中心線右側(cè)和路肩處加固區(qū)、下臥層沉降特點(diǎn)，對(duì)寬域斷面路基沉降演化進(jìn)行研究。結(jié)果表明：①增加樁長(zhǎng)、樁帽寬度和減小樁間距、路堤高度都能有效降低路基沉降。②從沉降位置上分析，樁長(zhǎng)變化，主要影響下臥層沉降；樁間距變化，主要影響加固區(qū)沉降；樁帽寬度變化，主要影響加固區(qū)沉降；路堤高度變化，主要影響下臥層沉降。③路基橫斷面沉降變化規(guī)律：從路基中心向路肩方向，沉降值逐漸減小，并且在路肩處沉降值迅速下降。