碎石桩处治拓宽路基软土地基的有限元分析

卢军源 王伟 李盈灿

摘要：本文以有限元软件ANSYS为工具，对采用碎石桩处治高速公路路基拓宽工程中的软土地基，建立有限元分析计算模型，分析了采用该方法后路基拓宽工后高填方路基和地基的沉降特性。结果表明：新路基采用碎石桩复合地基处治能够有效地减小路基差异沉降和侧向位移，可为今后路基拓宽软土地基处治提供理论依据。

关键词：道路工程；路基拓宽；差异沉降；碎石桩；数值分析

中图分类号：TU74文献标识码： A

0 引言

由于目前部分公路的规模无法满足日益增长的交通需求，为了改善道路的服务质量，以及更好地为国家的经济建设服务，必须对旧路进行拓宽工程以提高道路的通行能力，新旧路基拓宽工程中不良地基处理已经成为重要课题之一。贾乔宽[1]基于PLAXI从碎石桩作用机理和施工工艺出发，对软土基和碎石桩地基进行数值分析，肯定了碎石桩的作用效果。本文利用有限元软件ANSYS，建立某高速公路高填方路基拓宽模型，选取碎石桩处治软土地基和无桩软土地基两种计算工况，进行沉降和侧向位移分析。

1 本构模型

本文采用Drucke—Prager屈服准则的理想弹性模型，其模型采用广义VonMises屈服准则，是对三相应力状态的Mohr-Coulomb准则函数进行改进，使屈服面角隅圆滑而成为内切圆锥面的方便数值计算的屈服准则，屈服面如图1所示，表达式如下：；式中，为材料常数；

；；；C， 分别为土的粘聚力和内摩擦角。

图1 Drucker-prager模型本构模型的屈服面

2 工程及地质概况

某公路原为双向四车道高速公路，设计速度120km/h，路基宽度28m；现今需进行改造，按双向八车道高速公路进行改建，采用双侧加宽的整体式路基，宽度拓宽至42m；地处平原，地下水位较高，软土地质，地层自上而下依次是：粉质黏土、淤泥土、碎石土，软塑状碎石黏土、基岩。

3 数值模拟分析

3.1 有限元计算基本假定

(1) 新旧路基和地基土体均采用D-P弹塑性本构模型,认为是均质、连续材料，各向异性弹塑性体；(2) 新旧路基路面拼接处和各个层面之间在沉降变形过程中不发生相对滑动与分离；(3) 计算模型为对称结果，故以旧路基中心线为轴，取一半进行计算；(4) 认为新旧路基路面下的地基沉降已经稳定，新地基的弹性模量比旧地基的弹性模量小，并赋予其材料密度为0。

3.2 计算模型

图2为有限元计算几何模型。取旧路基宽度a=14m，新路基宽度b=7m，路基高度h=7.28m，路面结构厚度r=0.72m，新旧路基的边坡坡度均为1：1.5，地基计算深度H=30m，从路基中心线向外侧去计算宽度B=68.33m，桩径为0.5m桩间距1.5m。新旧路基和路面、地基土、桩基、垫层均采用2D实体PLANE42单元模拟，土工格栅采用2D杆link11单元模拟，材料参数见表1路基拓宽和地基处理网格划分如图3；边界条件取模型左侧和右侧施加X方向约束，下侧施加Y方向约束，计算荷载为模型自重。对不进行地基处理和进行碎石桩处理两种工况惊醒计算。

图2 计算几何模型尺寸图 图3 有限元网格划分图

表1数值模拟计算参数

材料 厚度

(长度)/m 密度（kg/m3） 弹性模型 Drucke—Prager模型

弹性模量

E（Mpa） 泊松比

μ 粘聚力

c（Kpa） 摩擦角

ψ

旧路面 0.72 - 1500 0.25 - -

新路面 0.72 1600 0.25 - -

旧路基 6.48 - 40 0.35 30 20

新-上路床 0.3 2000 100 0.35 - -

新-下路床 0.5 2000 80 0.35 - -

新路基 6.48 2000 30 0.35 30 20

CFG桩 6 2500 14000 0.2 - -

碎石垫层 0.3 1800 30 0.25 - -

土工格栅 - 2000 2000 0.15 - -

旧地基 30 - 16 0.30 25 20

新地基 30 - 12 0.30 25 20

3.3 计算结果分析

图4 碎石桩处治下计算沉降云图图5 碎石桩处治下计算侧向位移云图

图6 路基顶面沉降曲线图 图7 地基顶面沉降曲线

图8 新路基边坡侧向位移曲线图 图9旧路基边坡侧向位移曲线图

（1）路基和地基沉降分析

通过有限元软件的计算，如图4所示，新路基荷载作用下，对地基和旧路基产生的明显的沉降，采用碎石桩处治软土地基后，新路基下方的地基的沉降量得到了减少。从图6和图7分析得出，路基拓宽工程中，在没有采取碎石桩进行地基处理时，路基顶面的最大沉降值为9.645cm和最大差异沉降值为5.9563cm；地基的最大沉降值为9.706cm和最大差异沉降为6.069cm；而采取碎石桩处治后，路基顶面的最大沉降值为8.476cm和最大差异沉降值为4.783cm，地基的最大沉降值为4.416cm。相对与无桩处治情况，采用碎石桩后，路基的最大差异沉降量减少了19.70%，地基的差异沉降量减少了27.24%，满足设计中地基差异沉降限制5cm的要求。从图6中曲线所示，路基顶面的沉降量从旧路基中心线至路肩处逐渐增大，而图7中的曲线所示，地基的最大沉降量是发生在新旧路基拼接位置附近。

（2）新路基和旧路基侧向位移分析

如图5所示，路基拓宽工程中，由于地基差异沉降影响，新旧路基受到附加应力后，新路基和拼接段附近的旧路基大部分土体产生向边坡方向位移，新路基边坡处局部产生向旧路基方向位移，为了研究采用碎石桩处治软土地基后对拓宽路基的稳定性影响，采集了新路基和旧路基边坡的水平位移数据。如图8和9所示，新路基边坡在进行碎石桩处治软土地基的情况下，坡面侧向位移量比无地基处理情况的要小，另外，设置了碎石桩后还可以明显减少旧路基坡面的侧向位移量。因此，在采用碎石桩处治后，可有效约束新旧路基坡面的侧向位移，从而减小由于侧向变形而产生的路基差异沉降。

4 结语

碎石桩是以卵石、碎石和砂砾等材料制成的复合地基加固桩，其能提高软土地基的承载能力，从而减小路基的差异沉降，确保路面结构的性能满足要求。基于国内研究现状，采用有限元软件ANSYS建立模型对某高速路基拓宽工程进行数值模拟和分析，得出在碎石桩复合地基下，路基和地基的沉降量和差异沉降量得到减小，且新旧路基的最大差异沉降值为4.783cm小于限制5cm；另外，还起到了减小新旧路基边坡侧向位移的作用。

参考文献

[1]贾乔宽.碎石桩处理软土路基沉降的有限元分析[J].内蒙古公路与运输,2014,04:42-44.

[2]张千管.碎石桩处理软土路基的应用研究[D].长安大学,2012.

[3]蓝冰.碎石桩处理饱和软土地基的理论分析与工程研究[D].中南大学,2005.

[4]郭世情. 碎石桩处理软土路基的工程应用及效果分析[J]. 中华建设,2011,03:118-119.

[5]王俊立.高填方路基拓宽工程差异沉降的数值分析[D].郑州大学,2007.