考慮地基土固結(jié)的樁承式路堤位移變化規(guī)律有限元分析

曹學(xué)衛(wèi)

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西 孝義 032300）

樁承式加筋路堤是一種由地基、樁、加筋墊層和填料組成的復(fù)合體系[1-3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，其在高速公路和鐵路的地基處理中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。目前，對樁承式加筋路堤作用機(jī)理的研究方法主要包括理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬3個(gè)方面[6-7]。

理論研究方面，太沙基[8]基于砂土活動(dòng)門試驗(yàn)證明了土拱效應(yīng)的存在，并且得出產(chǎn)生土拱效應(yīng)需要具備的兩個(gè)必要條件。Hewlett[9]根據(jù)極限平衡理論，分別將路堤土拱形狀假定為半圓形和半球形模型，推導(dǎo)出二維和三維樁基荷載分擔(dān)比，并通過模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論模型的合理性。試驗(yàn)研究方面，Young[10]，Chen[11]以及Van Eekelen[12]分別通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了土拱效應(yīng)的存在，并對比分析了不同工況下基底沉降、筋材應(yīng)變和樁體荷載分擔(dān)比的變化規(guī)律。數(shù)值模擬方面，Han[13]采用FLAC闡明了加筋過程中的最大拉力位于樁帽邊緣位置；錢勁松等[14]通過三維有限元計(jì)算分析，驗(yàn)證了樁承式加筋路堤的作用機(jī)理，闡明了樁承式加筋路堤能夠充分減小路堤表面不均勻沉降以及地基軟土中的超孔隙水壓力；余闖等[15]在模型試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了三維有限元計(jì)算模型，通過分析樁承式路堤中土體豎向應(yīng)力的分布特點(diǎn)，揭示了土拱內(nèi)部的豎向應(yīng)力隨深度非線性減小；賴漢江等[16]通過PFC 2D建立樁承式路堤離散元計(jì)算模型，針對土拱形態(tài)及其演變規(guī)律進(jìn)行了分析研究，同時(shí)引入荷載修正系數(shù)對土拱模型進(jìn)行了改進(jìn)，并開展了筋材受力變形計(jì)算。

綜上可知，許多學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對樁承式路堤進(jìn)行了研究，但是，考慮地基土固結(jié)影響的研究比較少見。

本文通過有限元計(jì)算方法對考慮地基土固結(jié)沉降作用的樁承式路堤進(jìn)行了研究，主要考慮了加筋與地基土固結(jié)沉降情況等參數(shù)，對樁承式路堤沉降變形性狀進(jìn)行了分析研究。

1 有限元模型建立

采用有限元軟件對樁承式加筋路堤位移變化特性進(jìn)行分析研究，創(chuàng)建路堤二維平面計(jì)算模型，其長度和高度分別為200 cm和100 cm，模型左右兩側(cè)各布設(shè)樁徑為5 cm的剛性樁作為側(cè)樁，模型路堤中間等間距布設(shè)樁徑為25 cm的剛性樁，剛性樁的高度均為50 cm，分別在埋深15 cm、30 cm、45 cm的位置進(jìn)行監(jiān)測。模型路堤填料和樁間土均選用了標(biāo)準(zhǔn)砂，且顆粒粒徑主要集中在1～10 mm。采用顆料級配測定試驗(yàn)（篩分法）、三軸壓縮試驗(yàn)（UU）等常規(guī)試驗(yàn)方法對標(biāo)準(zhǔn)砂填料物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)測定，相關(guān)物理參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)選取，樁體和土工格柵材料參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]進(jìn)行選取，模型各項(xiàng)材料參數(shù)詳見表1。

表1 材料參數(shù)表

為了模擬砂土與樁體間相互滑移，在樁土與砂體間建立界面單元，參考相關(guān)文獻(xiàn)[15-16]接觸參數(shù)取值如下：法線剛度模量Kn=1e+09 N/m3，剪切剛度模量Kt=1e+03 N/m3，黏聚力C=5 N/m2，摩擦角φ=35°。模型表面為自由邊界，兩側(cè)為法向位移約束邊界條件，模型底部一組為固定邊界條件，用以對模型進(jìn)行約束，另一組為配合模型底部樁間砂土下沉進(jìn)行釋放，用以模擬地基土的固結(jié)過程。

首先，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，位移清零。然后通過釋放中間3根樁間砂體底部約束，并對相應(yīng)節(jié)點(diǎn)施加垂直向下的位移來模擬地基土的固結(jié)沉降，采用軟件施工階段分析，逐級施加位移增量，從5 mm增加至40 mm，模擬分為5個(gè)等級進(jìn)行。左右兩側(cè)樁的樁徑為5 cm，中間3根樁的樁徑為25 cm，樁凈距為25 cm，模擬兩種不同加筋工況，即：第一種工況為無土工格柵，第二種工況為在填土高度為5 cm處（即距離模型路堤底面55 cm高度處）設(shè)置一層土工格柵。

2 位移計(jì)算結(jié)果與分析

通過有限元計(jì)算獲得了地基土在不同固結(jié)沉降工況下的位移場，埋深分別為15 cm、30 cm、45 cm處位移曲線如圖1～圖3所示。圖中origin代表初始工況，位移為0，dis-5代表下沉位移為5 mm工況，dis-5-gs代表下沉位移為5 mm，加筋工況。

圖1 埋深為15 cm的砂體不同工況沉降曲線圖

圖2 埋深為30 cm的砂體不同工況沉降曲線圖

圖3 埋深為45 cm的砂體不同工況沉降曲線圖

圖1表明，隨著地基土固結(jié)沉降的增大，樁承式路堤的位移逐漸增大。當(dāng)?shù)鼗凉探Y(jié)沉降為5 mm時(shí)，加筋前后位移基本一致且約為0.9 mm；當(dāng)?shù)鼗凉探Y(jié)沉降達(dá)到20 mm時(shí)，加筋效果開始體現(xiàn)，路堤位移從加筋前的3.5 mm減小為2.5 mm，減小了1.0 mm；當(dāng)?shù)鼗凉探Y(jié)沉降達(dá)到30 mm時(shí)，路堤位移從加筋前的5.3 mm減小為3.4 mm，減小了1.9 mm；當(dāng)?shù)鼗凉探Y(jié)沉降達(dá)到40 mm時(shí)，路堤位移從加筋前的7.0 mm減小為4.2 mm，減小了2.8 mm。因此可得出，樁承式路堤位移的減小值隨地基土固結(jié)沉降的增大而增大。未加筋時(shí)，位移隨地基土固結(jié)沉降量呈線形關(guān)系；加筋后，加筋控制效果隨地基土固結(jié)沉降量的增加而增強(qiáng)。

圖2表明，埋深為30 cm同埋深為15 cm的情況類似，隨地基土固結(jié)沉降的增大，樁承式路堤的位移逐漸增大。沉降曲線形狀整體呈W形狀，且隨地基土固結(jié)沉降的增大，中心點(diǎn)與兩側(cè)位移極值點(diǎn)的位移差增大。當(dāng)固結(jié)沉降量為5 mm時(shí)，加筋前后位移基本一致，約為1.1 mm；當(dāng)固結(jié)沉降達(dá)到20 mm時(shí)，加筋效果開始顯現(xiàn)出來，路堤位移從加筋前的4.3 mm減小為3.2 mm，減小了1.1 mm；當(dāng)固結(jié)沉降達(dá)到30 mm時(shí)，路堤位移從加筋前的6.4 mm減小至4.3 mm，減小了2.1 mm；當(dāng)固結(jié)沉降量達(dá)到40 mm時(shí)，路堤位移從加筋前的8.6 mm減小為5.3 mm，減小了2.3 mm。同樣，未加筋時(shí)，位移隨地基土固結(jié)沉降量呈線形關(guān)系；加筋后，加筋控制效果隨地基土固結(jié)沉降量的增加而增強(qiáng)。樁承式路堤位移減小值隨地基土固結(jié)沉降的增大而增大。

圖3表明，埋深為45 cm時(shí)，中心點(diǎn)位移與兩側(cè)位移極值點(diǎn)的位移差進(jìn)一步增大。當(dāng)固結(jié)沉降量為5 mm時(shí)，加筋前后位移基本一致，約為1.5 mm；當(dāng)固結(jié)沉降量達(dá)到20 mm時(shí)，加筋效果開始顯現(xiàn)出來，路堤位移從加筋前的6.3 mm減小為4.6 mm，減小了1.7 mm；當(dāng)固結(jié)沉降量增至30 mm時(shí)，路堤位移從加筋前的9.5 mm減小為6.1 mm，減小了3.4 mm；當(dāng)固結(jié)沉降量達(dá)到40 mm時(shí)，路堤位移從加筋前的12.7 mm減小為7.7 mm，減小了5 mm。顯然，樁承式路堤位移減小值隨地基土固結(jié)沉降量的增大而增大，且經(jīng)與前兩種情況比較發(fā)現(xiàn)，每個(gè)固結(jié)沉降增量對應(yīng)路堤位移減小值較埋深15 cm和30 cm時(shí)增大。因此，結(jié)果表明，隨埋深的增加，加筋效果逐漸增強(qiáng)，且差異沉降越大加筋效果越顯著。

3 結(jié)語

針對樁承式路堤問題，采用有限元計(jì)算方法進(jìn)行了研究，主要考慮了地基土固結(jié)沉降和加筋與否兩個(gè)影響因素，研究了不同埋深處的路堤位移變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

a）加筋體能夠有效減小樁承式路堤的位移，且差異沉降越大加筋效果越顯著。

b）樁承式路堤位移的減小值隨地基土固結(jié)沉降的增大而增大。

c）隨埋深的增加，樁承式路堤位移逐漸增大。