洪澤湖堤路結(jié)合工程差異沉降控制研究

謝雨廷，賈 璐，曾 鵬，陳中原

(1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210029；2.淮安市水利工程建設(shè)管理服務(wù)中心，江蘇 淮安 223001；3 衡陽北控水資源管理有限公司，湖南 衡陽 421000)

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者針對差異沉降控制開展了大量研究，但大部分研究僅進行數(shù)值模擬工作[1-13]，模型的合理性未得到有效驗證，或僅開展原位觀測試驗，對工程現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行分析[14]，將現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究甚少[15]。此外，大多研究針對高速公路工程中的拓寬路基差異沉降問題[2-10，15]，針對堤防道路拓寬工程的研究相對較少[11-13]。在土工格柵數(shù)值模擬方面，目前存在筋-土相互作用特性模擬效果不佳等問題，左建忠等[16]提出PLAXIS與OPTUM兩種有限元軟件中土工格柵界面參數(shù)的等效轉(zhuǎn)換方式，但未對筋-土相互作用下的沉降發(fā)展規(guī)律進行深入研究。為較好結(jié)合工程實際，有必要將數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合，對于堤防道路拓寬工程中的差異沉降問題開展系統(tǒng)研究。

本文以洪澤湖堤路結(jié)合工程為例，通過數(shù)值模擬加寬培厚堤防沉降發(fā)展規(guī)律提出差異沉降控制方案，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模型的合理性，并根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果指導(dǎo)后續(xù)施工安排。研究思路可為該地區(qū)類似堤路結(jié)合工程差異沉降控制提供參考。

1 工程概況

根據(jù)洪澤湖迎湖擋洪堤加固工程勘察資料，淮陰區(qū)某標(biāo)段堤基下部分布著厚度>6.0 m的淤泥質(zhì)軟土層，新老堤結(jié)合處的差異沉降是潛在的巖土工程問題，因此選取該標(biāo)段軟土段作為典型堤段開展研究。該標(biāo)段為迎水側(cè)加高培厚堤段，設(shè)計堤頂標(biāo)高為17 m，堤頂路面總寬10 m，路肩以1∶3坡度向兩側(cè)延伸，在迎水側(cè)標(biāo)高14 m處設(shè)置10 m寬防汛平臺，防汛平臺以1∶10坡度向湖區(qū)延伸，背水側(cè)填塘固基，寬度20 m、高2 m，斷面形態(tài)如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場地勘資料，試驗堤段土層分布及部分土性參數(shù)見表1。

圖1 典型斷面示意圖(單位：m)

表1 典型斷面土層分布情況

2 數(shù)值模擬與加固方案設(shè)計

2.1 數(shù)值模擬工況劃分

根據(jù)典型斷面施工填筑方案與地勘資料，典型斷面②3層淤泥質(zhì)軟土性質(zhì)較差，為不均勻沉降的重點研究對象，因此分別對三種工況開展數(shù)值計算分析，如表2所示。

表2 數(shù)值模擬工況劃分

2.2 模型設(shè)置

根據(jù)設(shè)計資料建立有限元數(shù)值模型，加培土與地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，土工格柵結(jié)構(gòu)采用Geogrid材料彈性模型，格柵鋪設(shè)寬度為10 m，極限抗拉強度為100 kN/m，格柵上下兩側(cè)單獨設(shè)置界面材料以模擬筋—土之間的應(yīng)力傳遞，為界面與相鄰?fù)馏w定義一個折減因子Ri，界面的部分參數(shù)定義如式(1)～式(4)：

ci=Ric0

(1)

φi=Ritanφ0

(2)

Ei=2Gi(1+2vi)

(3)

Eoed，i=2Gi(1-vi)/(1-2vi)

(4)

式中：ci為對應(yīng)界面的黏聚力，kPa；Ri為折減因子，取0.7；c0為與格柵相鄰?fù)馏w的黏聚力，kPa；φi為對應(yīng)界面的內(nèi)摩擦角，(°)；φ0為與格柵相鄰?fù)馏w的內(nèi)摩擦角，(°)；Ei為對應(yīng)界面的彈性模量，MPa；Eoed，i為壓縮模量，MPa；Gi為界面的剪切模量，MPa；vi為界面泊松比為，取0.45。

假設(shè)路堤堆載期為180 d，共分為5級加載，每級厚度1 m，加載完成后60 d進行路面鋪筑，施工期為30 d，路面鋪筑完畢60 d后通車，交通荷載等效簡化為16 kPa均布荷載。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)，本工程瀝青混凝土路面使用設(shè)計年限10 a，工后沉降計算為自瀝青路面施工結(jié)束起10 a，因此沉降發(fā)展計算時間為3920 d。為盡量減小網(wǎng)格分布密度導(dǎo)致的計算誤差，模型采用15節(jié)點三角形單元，土工格柵采用5節(jié)點單元，并適當(dāng)加密附近網(wǎng)格。為對比不同工況的新老堤差異沉降，選取新堤中心、迎水面路肩下原地表位置作為特征點，填筑過程如圖2所示，以工況2為例，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 新堤填筑過程

圖3 網(wǎng)格單元劃分

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4為三種工況下最終沉降云圖，工況1與工況2最大總沉降分別為423.4 mm和416.9 mm，均位于新堤表面距迎水側(cè)路肩3.6 m處。工況3最大沉降位置向路中心移動，最大總沉降值為353.1 mm，相比于工況1減小70.3 mm。圖5為三種工況下特征點位置的沉降發(fā)展過程，工況1堤中心與迎水面最終沉降分別為380.8 mm和330.0 mm；工況3堤中心與迎水面最終沉降分別為329.0 mm和271.4 mm，相比于工況1分別縮減了51.8 mm和58.6 mm；而工況2堤中心與迎水面最終沉降分別為369.7 mm和328.4 mm，相比于工況1沉降僅減小11.1 mm和1.6 mm，量值較小。結(jié)合以上數(shù)值計算結(jié)果分析可知，經(jīng)淺層換填處理后地基壓縮特性發(fā)生變化，因此堤頂總沉降明顯減小。土工格柵加筋工況下地基壓縮特性未改變，僅改變附加應(yīng)力分布，因此在本工況下土工格柵加筋對特征點處的總沉降控制影響較小。

圖4 最終沉降云圖

圖5 沉降數(shù)值計算結(jié)果

取老堤表面迎水側(cè)坡面為新老堤結(jié)合面，研究結(jié)合面沉降規(guī)律與土工格柵的作用特性，計算結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示，工況2鋪設(shè)土工格柵的位置沉降減小較明顯，這是由于格柵具有較高的抗拉強度和張拉模量，能將荷載和應(yīng)力較均勻地擴散到較大的面積范圍內(nèi)，而位于下部的土工格柵承擔(dān)的加培土自重應(yīng)力最大，因此協(xié)調(diào)變形作用最為明顯，對于工況3，由于換填處理后堤身整體沉降顯著減小，結(jié)合面沉降隨之減小。

圖6 新老堤結(jié)合面沉降

為研究沉降變形對工程建設(shè)通車后的影響，因此重點關(guān)注工后沉降的發(fā)展規(guī)律與工后差異沉降。路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)完成后堤中心和迎水面工后沉降如表3所示，工后差異沉降分別為45.8 mm、38.5 mm和25.5 mm，淺層換填處理和土工格柵加筋后的工后差異沉降相比于天然堆載分別可減小20.3 mm和7.3 mm，兩種措施均能控制新老堤之間的工后差異沉降，在本工程中淺層換填處理的控制效果更明顯。

表3 工后沉降數(shù)值計算結(jié)果 mm

數(shù)值計算結(jié)果表明，土工格柵加筋處理通過改變地基附加應(yīng)力狀態(tài)協(xié)調(diào)新老堤變形，不能減小加培堤最大總沉降，僅能一定程度上控制新老堤工后差異沉降，而淺層換填處理改變了地基的壓縮特性，該措施不僅能有效控制加培堤整體沉降水平，同時能較明顯地減小新老堤工后差異沉降，優(yōu)于臺階加筋措施。

2.4 差異沉降控制方案設(shè)計

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在本工程三種工況下工后沉降均可滿足規(guī)范要求，結(jié)合本工程實際情況，應(yīng)用以上兩種差異沉降控制方案對該堤段軟土段進行處理：

(1)土工格柵加筋。加培堤填筑至13 m高程時，對試驗段沿堤防縱向50 m范圍內(nèi)的現(xiàn)狀堤防進行臺階開挖，臺階寬度1 m，高0.3 m，在相隔兩個臺階平面鋪設(shè)三向土工格柵，即兩層土工格柵相隔0.6 m左右，共鋪設(shè)5層，對應(yīng)工況2。

(2)淺層換填。對試驗段新堤以下深度3 m的軟土層進行清除，選用填筑土料分層回填至地表，振動壓實，對應(yīng)工況3。

3 原型試驗及沉降監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測安排

根據(jù)前文提出的差異沉降控制方案，分別選取典型堤段的K1+000、K1+500和K1+600斷面作為試驗斷面，其中K1+000和K1+600斷面分別采取淺層換填和土工格柵加筋處理，K1+500斷面不采取任何加固措施，并分別在試驗斷面的新堤中心和迎水側(cè)路肩位置開展表面沉降監(jiān)測工作。監(jiān)測自填筑前50 d開始，至填筑完成后20 d，總歷時270 d。圖7為監(jiān)測歷時內(nèi)試驗斷面堤中心和迎水面沉降隨填筑高程的變化情況，填筑期內(nèi)試驗斷面最大沉降速率分別為2.1 mm/d、2.3 mm/d、1.4 mm/d，均未超過10.0 mm/d的監(jiān)測預(yù)警值，其中在填筑期間，沉降速率逐漸增大，達到恒載后沉降發(fā)展穩(wěn)定，曲線趨于平緩。

圖7 地表沉降隨填筑變化

3.2 模型合理性驗證

選取填筑期間監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果進行對比，如圖8～圖10所示，K1+600斷面實測沉降小于K1+000和K1+500斷面，且小于數(shù)值計算結(jié)果，分析其原因可能是實際堤防縱向土層分布的不均勻性等復(fù)雜因素，使該斷面的數(shù)值模型難以準(zhǔn)確反映實際沉降水平，而其余兩個斷面實測與數(shù)值計算結(jié)果規(guī)律一致，沉降曲線大致吻合，量值偏差較小，數(shù)值計算結(jié)果整體上能較好地反映實際土體的變形規(guī)律，具有良好的合理性。

圖8 K1+500斷面數(shù)值模擬與實測對比

圖9 K1+600斷面數(shù)值模擬與實測對比

圖10 K1+000斷面數(shù)值模擬與實測對比

3.3 后期進度分析

填筑完成后實測沉降趨于平緩，通過數(shù)值模擬對本堤段后續(xù)施工進度節(jié)點提供建議，選取路面結(jié)構(gòu)層施工完畢后60 d開放交通，此時剩余沉降和差異沉降如表4所示，剩余沉降均<100 mm，差異沉降<45 mm，路面變形可控制在較低水平，該進度安排基于數(shù)值模型計算結(jié)果提出，通過前期實測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模型的合理性，且較好地結(jié)合了本工程的實際情況，具有良好的現(xiàn)實意義。

表4 通車后剩余沉降與差異沉降 mm

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，土工格柵加筋處理對堤身總沉降幾乎沒有影響，但土工格柵可以改變地基的附加應(yīng)力分布，協(xié)調(diào)新老堤差異變形，且位于下部的土工格柵作用效果較為明顯；淺層換填處理后地基壓縮特性改變，沉降明顯減小，淺層換填工況工后差異沉降縮減至25.5 mm，小于天然堆載工況的45.8 mm和土工格柵加筋工況的38.5 mm，土工格柵加筋對新老堤工后差異沉降的控制作用弱于淺層換填處理。

(2)對典型堤段提出兩種差異沉降控制方案，對采取不同方案的斷面開展現(xiàn)場監(jiān)測工作，實測數(shù)據(jù)沉降發(fā)展規(guī)律與數(shù)值計算結(jié)果整體吻合程度較好，數(shù)值模型較好地反映了實際土體的變形規(guī)律，具有良好的合理性。選取填筑完成后60 d進行路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)工作，路面結(jié)構(gòu)層施工完畢后60 d通車，后期剩余差異沉降可控制在45 mm以內(nèi)，路面平整度較高，行車舒適性較好。

(3)本文采用有限元模擬方法和現(xiàn)場原型試驗相結(jié)合的方法，有效地模擬了土工格柵處理的加筋效果，結(jié)合現(xiàn)場試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了本文提出的堤防加固工程差異沉降控制效果。研究成果可為后續(xù)類似地質(zhì)條件下的堤路結(jié)合工程差異沉降控制提供技術(shù)支撐和設(shè)計指導(dǎo)。