基于有限元法的公路软土路基加固处理及沉降分析.pdf
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1、总660期2023年第30期(10月 下)0 引言传统的公路软土路基沉降计算一般选择分层总和法,其计算条件过于简化,难以反映项目的实际情况。随着有限元理论的进步,越来越多的学者开始通过数值软件来分析软土路基沉降和加固效果,但是并未形成统一的规范或标准来指导软土路基加固设计1,导致部分加固方案不合理或不经济。因此,基于有限元法进一步研究公路软土路基加固方法及沉降具有重要价值。1 软土路基工程特性及加固方法1.1 软土路基工程特性目前针对软土路基的划分并无统一标准,不同规范对软土的定义也不相同。比如岩土工程勘察规范(GB500212009)用天然含水量、孔隙比判定软土;公路路基设计规范(JTG D
2、302015),下简称 规范)以天然含水量、孔隙比、内摩擦角、压缩系数、内摩擦角、剪切强度判定软土。无论采用哪种判定方法,都不能忽略软土的工程特性2:渗透性差。软土透水能力差,渗透系数在110-5110-6cm/s,且在土体内部表现出各向异性;可压缩性高。软土孔隙比大、可压缩性高,在相同车辆荷载作用下,路基容易产生较大工后沉降;抗剪强度低。由于软土含水量高,其黏聚力和内摩擦角偏低,在车辆荷载作用下,边坡容易发生剪切破坏而失稳。1.2 软土路基加固方法1)加固目标公路软土路基加固的目标是控制路基的工后沉降,以免路基因沉降过大导致边坡失稳、滑塌、路面开裂、沉陷等病害。由规范可知,软土路基工后沉降最
3、大值取决于公路等级、路基所在路段。对于高速公路、一级公路,一般路段、箱涵、箱通、通道处、桥台与路基相邻处的工后沉降最大值分别为30、20、10 cm;对于作为干线的二级公路,一般路段、箱涵、箱通、通道处、桥台与路基相邻处的工后沉降最大值分别是50、30、20 cm。2)加固方法在确定公路软土路基加固方法前,应详细勘查沿线工程地质条件,并获取重度、压缩模量、孔隙比等物理力学参数,作为软土路基沉降验算的依据。同时,尽量选择施工工艺成熟、施工方法简单、对周边环境影响小的加固方法。大量工程实践表明,公路软土路基常用加固方法可分为浅层加固和深层加固两大类,具体适用条件见表13:表1 公路软基加固方法划分
4、软土加固技术浅层软基处理深层软基处理换填垫层法抛石挤淤法强夯水泥搅拌桩预应力混凝土管桩CFG桩适用条件/m软土厚度3软土厚度57含水量高的深厚软土2 软土路基沉降加固方案初步比选2.1 工程概况研究高速公路建设标准双向四车道,设计速度为100 km/h,设计荷载为公路 I 级,设计洪水频率为 1/100,路线全长 56.5 km,路线起讫桩号为 K0+000K56+500,路基标准横断面宽度为 25 m,路面总厚度92 cm。根据施工图地勘资料可知,桩号 K15+800收稿日期:2023-02-08作者简介:张建(1991),男,吉林长春人,工程师,从事路基路面设计工作。基于有限元法的公路软土
5、路基加固处理及沉降分析张建1,2(1.中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100089;2.中咨华科交通建设技术有限公司,北京 100195)摘要:为提升公路路基设计水平,归纳了软基工程特性和常用加固方法,并依托某高速公路软基工程,利用有限元软件PLAXIS建立计算模型,对水泥搅拌桩、CFG桩、预应力混凝土后等加固方案进行技术性和经济性比选。同时,探讨了软土路基工后沉降随CFG桩桩间距和桩长的变化规律,研究成果可为公路软土路基设计提供科学的理论指导。关键词:有限元;软土路基;工后沉降;优化设计中图分类号:U416.1文献标识码:B104交通世界TRANSPOWORLDK16+300段路基穿过淤
6、泥质土(埋深在3.56.3 m)。软土计算断面选择K16+000(桥台与路基相邻处),其中心填高为6.0m,边坡坡率11.5,路基填料为级配良好的砂砾土,基底从上地基土从上到下分别为杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土。2.2 初步拟定加固方案K16+000断面处的淤泥质粉质黏土埋深较大,不宜使用换填垫层法、抛石挤淤法等浅层加固措施。同时,利用式(1)预估了强夯法的有效加固深度 d,仅为6.0m,无法完全消除软土层对路基沉降的影响。d=mh(1)式(1)中:为修正系数,根据土体类型选择;m为夯锤质量;h为夯锤落距。最终,拟使用桩-土复合地基来处治该项目的软基。为保障软土路基加固方案的合理性和可行性
7、,从技术性和经济性两方面对比了水泥搅拌桩、CFG桩、预应力混凝土管桩。其中水泥搅拌桩选用粉喷桩,桩径0.5 m,桩长10 m,桩间距1.2 m;CFG桩桩径取0.5 m,桩间距1.5 m;预应力混凝土管桩桩径0.5 m,桩长10 m,桩间距2.2 m。布桩形式均为三角形。2.3 加固方案综合比选1)有限元模型建立本构关系:路基和软土地基均为三相物质,以受压为主,抗拉强度可忽略,故选用 PLAXIS 软件中的Drucker-Prager屈服准则(简称DP准则),其表达式见式(2)(4):F=I-J+K=0(2)I=1+2+3(3)J=16(1-2)2+(1-3)2+(2-3)2(4)式(2)(4
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