樁板結構在地基處理中的應用研究

毛瑩瑩

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

交通的快速發展離不開工程技術的快速發展,在我國沿海地區分布著大量的淤泥質、有機質等軟土地基,目前常用的公路軟土路基處理方法又存在著工期長、工藝復雜、造價高等缺點,給交通工程的建設帶來了巨大挑戰,新型的軟土地基處理方法亟待研究。

近些年也有很多針對于軟土地基處理方法的研究,李媛媛[1]在分析了軟土地基性質的基礎上對不同固化劑在軟土地基處理中的應用情況進行了研究,并以實際工程進行了試驗分析,其結果滿足現行規范的控制要求。陳繼彬等[2]對碎石樁在軟土地基處理時碎石樁參數與路基填筑臨界高度之間的變化規律進行了研究,對碎石樁加固的地基處理計算方法進行了改進,推導出軟土地基厚度與樁間距之間的關系式。張星星[3]運用PLAXIS對公路軟土地基的沉降進行了研究,分析了不同的拋石厚度、寬度、模量等參數對路基沉降的影響程度,得到了工程最合理的軟土地基處理方案。羅良繁[4]梳理了各種軟土地基的處理方法,并在此基礎上對路基拼寬的設計問題、深層及表層軟土的處理措施進行了研究,對拼寬路基中路基的差異性沉降提出了針對性措施。朱湃[5]通過ANSYS對復合地基的多種處理方式中軟土地基泵站的動力響應情況進行了研究,針對CFG樁、地下連續墻等組合形式開展分析,得到了對泵站地震影響最合理的組合形式。葛建東[6]對CFG樁在鐵路路基的加固方案中的特性、機理、沉降變形等進行了研究,得到CFG樁的最佳布設形式。

目前,樁板結構的路基處理一般應用于對沉降控制較為嚴格的鐵路路基,在公路路基上的應用還有待進一步研究。因此,文章對軟土地基樁板結構進行了模擬分析,旨在推進樁板結構在公路路基上的應用,為工程建設和設計提供理論依據。

1 作用原理

傳統的軟土地基處理方法可大致分為兩類:一類是換填,直接去除軟土對路基的影響范圍部分,方法簡單,作用直接,但只適合軟土較淺的地基處理;另一類是通過打樁、預壓等方法,對現有較深的軟土進行處理,一方面加快軟土的固結,一方面成樁增加地基的承載性,達到地基處理的目的。樁板結構是在樁的頂部澆筑一塊混凝土板,形成一個整體結構,共同承擔來自上部路基的荷載,一方面板的加入能夠有效地將上部路基的荷載轉化為剛性荷載,使路基底部的差異性沉降減小,另一方面樁頂的混凝土板成為路基的一種擴展基礎,改變了原有路基與地基的荷載傳遞方式,而打入地底的樁又對地基起到了加筋作用,增強了土體的承載能力,最終達到減小路基沉降,提高地基承載力的目的。

2 工程概況

文章主要對樁板結構加固的軟土地基進行研究,參考實際工程的土層特性。在某高速的填方路基建設中,需穿越約長度350m的軟土地層,樁號為K12+310.50～ K12+662.52,路線為南北走向。該路段地勢起伏較小,路基斷面頂寬為22m,高度為6m,采用坡率法進行路基放坡,坡率為1:1.5。根據地勘報告,此處地基土為軟土,采用分層總和法計算,地基土1的沉降和路堤沉降總和大于30cm,不符合規范要求,現有的地基不能滿足直接填筑使用的要求,建議采取加固處理,圖1所示為K12+560處路基橫斷面。

圖1 K12+560橫斷面(單位:m)

根據地勘資料,該處軟土地基主要有2層,第一層為12m厚的粘性土,第二層為8m厚的粉質黏土,綜合考慮填土高度與地基土的承載特性,在路基底部設置承載板,具體參數如下:承載板寬度設置雙側均大于坡腳1m,承載板厚度為20cm,承載板底部與樁連接,樁直徑為0.5m,樁的水平間距為5.5m,縱向間距為10m,樁長為12m。

3 有限元模型建立與分析

3.1 模型的建立

有限元的模擬計算方法已經在工程模擬研究中廣泛應用,充分證明其模擬的可靠性和有效性。對實際工程的模擬關鍵是本構模型的選取。Midas GTS有限元軟件能夠很好地對模型中的各種材料進行模擬,適用性強。本次模型在本構模型的選擇上,土層均采用Mohr-Coulomb本構模型,承載板和樁則采用彈性本構模型。本次建立模型為3D模型,尺寸為70m×20m×30m,其中各土層為3D單元,承載板為2D板單元,樁為1D梁單元。對于路基填土采用分層的方式建立模型,用以模擬填土的分層填筑,每層間距1m,其中各個部件具體的尺寸與圖1一致。在網格劃分中,對填土部分的網格劃分為1m,地基土的網格劃分稍疏,為4m,承載板和樁的網格劃分為1m。參考地勘資料,建模如圖2所示,建模的材料參數如表 1所示。

圖2 有限元模型

表1 模型參數表

利用模型的便利性,考慮施工步驟流程,在模型建立后應先對地層原始狀態進行恢復,模擬重力場和邊界約束,在進行地基加固和路基填筑,具體步驟如下:

(1)模擬地層重力場,施加邊界約束,位移清零;

(2)實施地基處理,澆筑承載板和打樁;

(3)分層填筑路基,每層間隔為1m;

(4)模型最終的計算結果分析。

3.2 計算結果分析

3.2.1路基變形分析

模擬施工填筑的過程,現對施工過程中路基底面的變化情況進行提取分析,由于模型呈對稱分布,以路基中線為橫軸0點進行數據提取,如圖3所示。

圖3 填筑過程中路基底面豎向位移變化圖

圖3中填1～填6表示填筑第一層土到填筑第六層土的過程。從圖3中縱向分析,路基底面的豎向位移隨著填筑高度的增加而不斷增大,在路基中心處(X軸0點)增幅最大,每層土增幅約1.8cm,最大值為10.4cm,總沉降小于30cm,滿足規范要求。這種情況說明,在路基的填筑過程中,路基沉降最大處為路基中心處。從橫向分析,路基底面的豎向位移值隨距路基中心位置增大而逐漸減小,直至豎向位移變化值為0cm。路基填筑的坡腳位置為距路基中心線20m的位置,在此處的豎向位移沉降依舊在變化,直至距離路基中心處28m左右,路基底面的豎向位移為0,這種現象說明,路基的豎向位移存在一定的影響區域,該區域的寬度在距離坡腳8m的范圍內。

路基底部的水平位移情況在一定程度上反映了路基的穩定性,現提取路基底面的水平位移數據,如圖4所示。

圖4 填筑過程中路基底面水平位移變化圖

由圖4的水平位移變化情況可以得出,在縱向上隨著路基填筑高度的增加,路基底面的水平位移值逐漸增大。路基底面的水平位移變化呈區域性變化,在距離路基中線20m范圍內,路基的水平位移變化曲線基本呈直線變化,該區域在路基填筑過程中的水平位移值變化很小,整個位移的變化幅度約0.2cm。而在20～40m范圍內,路基的水平位移變化呈先增大后減小的變化趨勢,最大值出現在距離路基中線26m處,為1.1cm。這是因為路基底部承載板的作用,承載板的寬度超越坡腳1m,因此路基底面的水平位移值在距路基中線20m范圍內變化很小,超過承載板范圍之后,路基底面的水平位移才相繼增大后減小。

對路基底面和頂面的豎直位移進行對比分析,如圖5所示。

圖5 路基底面和頂面豎直位移變化圖

由圖5可知,路基底面和頂面的豎向位移值變化有所區別,路基底面的豎向位移值遠大于路基頂面的豎向位移值,路基底面的豎向位移值最大為10.4cm,而路基頂面的豎向位移值最大為3cm,路基底面的豎向位移值隨路基中線距離的增加而逐漸減小,而路基頂面的豎向位移值變化較為平緩,各點數據相差較小,最大值與最小值之間僅相差0.3cm。這說明承載板在與樁的共同作用下,對上部土體的支撐作用明顯,承載板與普通地基處理的褥墊層不同,相較于褥墊層,承載板的剛性較大,與樁鏈接過后形成一個整體,有利于降低路基頂面的差異性沉降。

3.2.2路基應力分析

路基的應力狀態反映了路基的受力情況,現對路基的豎向應力進行分析,圖6所示為地基處理前路基填筑后的豎向應力云圖。

圖6 處理前豎向應力云圖

由圖6可知,地基未處理前的路基填筑后整個模型的豎向應力呈拱形,地基土在路基自重應力下中部的應力較大,兩側的較小,變化較為平順。地基處理后,路基填筑完成后的豎向應力變化如圖7所示。

圖7 處理后豎向應力云圖

對比分析圖6和圖7地基在處理前后的豎向應力變化云圖,可見在地基處理后,地基在路基底部的豎向應力相對平緩很多,在路基底部的豎向應力呈水平層狀變化,與路基處理前的拱形層狀變化形成明顯的區別。這說明樁板結構作用下,路基對地基的豎向荷載傳遞更加均勻,承載板與建筑中的筏板結構有類似作用,而樁對筏板起到了良好的支撐和荷載傳遞,改變了地基原有的應力狀態,有效地提高了地基的承載力。

3.2.3承載板應力分析

對承載板的大主應力進行提取分析,如圖8所示。

圖8 承載板大主應力云圖

由圖8可知,承載板的大主應力最大值集中在板的中間部位,與樁頂的接觸處的大主應力值最大,樁與樁之間的板中應力值較其他部位的大,這說明承載板在受到上部路基豎向荷載時,樁與樁之間的板承受的荷載最多,承載板與樁之間的荷載傳遞與接觸處密切相關,應在樁板設計時在樁板的連接處做加強設計。

4 結論

文章討論分析了樁板結構在軟土路基處理中的應用,通過Midas GTS有限元軟件對路基工程的模擬,分析了路基的變形、應力等的變化規律,主要得到以下結論:

(1)樁板結構在軟土地基的處理中是有效的,相對于傳統地基處理方法,板結構的加入能夠有效地將上部路基的荷載轉化為剛性荷載,使路基底部的差異性沉降減小。

(2)路基底面的豎向位移隨著填筑高度的增加而增大,最大值為10.4cm,路基填筑對路基底面豎向位移的影響區域為20～28m范圍。

(3)路基底面的水平位移值在0～20m范圍內受路基填筑高度的影響很小,超過20m后在26m時達到最大值,為1.1cm。

(4)路基頂面的豎向位移值變化較路基底面的豎向位移值小,且較為平緩,這與地基處理前后路基與地基的豎應力相關,樁板結構將路基荷載傳遞到地基,豎向應力分布更加均勻,有利于減小路基頂面的豎向位移的差異性。

(5)承載板的大主應力主要集中在樁與板的連接處,應在樁板設計時在樁板的連接處做加強設計。