软基公路刚性桩和竖向土工材料加固效果分析研究

丰土根 王路博 宋海洋 陈 阳

（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 岩土工程研究所，南京210098）

我国经济发达地区主要集中在东部沿海地区，高 速公路建设在东部沿海地区亦比较集中，而东部沿海大部分地区属于第四纪全新世（Q4）土层，多为河相、海相或者泻湖相沉积层，多属于饱和的正常压密粘土，土的类别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土［1］.在这种地基上新建或改扩建高等级公路，地基将由于地基土体的固结和剪切变形会产生很大沉降或差异沉降，并且沉降稳定的期限很长，而这会影响公路的正常使用.

值得特别指出的是软土地基在路堤的竖向荷载作用下会产生明显的侧向变形，而由于地基侧向变形引起的竖向沉降十分可观，能达到总沉降的25%以上［2］.现有的针对地基侧向变形的研究主要有两个方向：一是通过考虑地基土的侧向变形对现有地基竖向沉降的预测方法进行调整和修正［3－5］.二是通过应用试验或者有限元方法确定侧向变形和竖向沉降的关系，进一步研究侧向变形的特性［6－8］.缺少对通过对侧向变形进行限制进而控制地基竖向沉降的相关研究.

根据软土地基中土体侧向变形特性，针对软土地基中的高速公路扩建工程，章定文［9］、杨涛［10］等提出了应用刚性隔离墙进行地基加固，通过控制地基土侧向变形，改变地基附加应力分布，并控制新旧路堤不均匀沉降和老路堤坡比变化值，但该方法的实际应用存在局限性.本文提出了一种综合应用刚性桩和竖向土工材料的地基加固方式，分别以路堤新建工程和路堤扩建工程为例，采用三维有限差分方法分析了采用该方法进行软基处理的适宜性，并对两种情况下地基土的竖向沉降、侧向变形特性、交通荷载作用下变形情况以及路堤稳定性进行深入研究.

1 计算模型建立

1.1 路堤新建工程分析模型建立

应用FLAC3D有限差分软件建立分析模型，路堤高度为3m，顶面宽度为28m，路堤边坡坡度均为1∶1.5.地基土自上到下分别为22.5m淤泥质粘土、17.5m粉质粘土，最下层为全风化岩石，路堤和地基剖面如图1所示.根据对称性，取一半区域进行分析，模型水平向取80m，模型竖向取50m，三维模型前后断面间距为6m.

图1 地基剖面示意图／m

分析过程中，路堤土和地基土均采用弹塑性模型，屈服准则采用Mohr－CouIomb屈服准则，刚性桩采用线弹性本构模型，土工材料应用模拟程序内置的土工格栅结构单元，土工材料沿道路通长布置，并与道路中心线平行，具体材料参数详见表1.

表1 路堤土、地基土以及刚性桩模型参数

模型边界条件为：左右侧与前后侧水平方向约束，竖向自由；底部边界水平和竖直方向均为固定约束；其他边界自由［11］.其中设定刚性桩间距为3m，竖向土工材料平行道路中心线并靠近刚性桩布置，并将竖向土工材料两端固定于模型前后断面，地基处理示意图如图2所示.图2中上部分是地基处理方法的侧视图，下半部分是地基处理方法的俯视图.

模拟过程中，路堤采用分层填筑，对不同地基处理方式分别进行模拟计算.

1.2 路堤扩建工程分析模型建立

图2 新建路堤地基处理示意图（单位：m）

应用FLAC3D有限差分软件建立分析模型，新老路堤高度均为5m，顶宽28m，双侧加宽，单侧新建路堤宽度为7.5m，新老路堤边坡坡度均为1∶1.5，新旧路堤之间采用挖台阶方式进行处理，以提高路堤整体性.其中旧路堤地基处理方式为采用竖向刚性桩加固，并且在路堤填筑过程中底层设置土工聚合物加筋垫层.地基土的地质情况与路堤新建工程分析模型一致.利用对称性，取一半区域进行分析，模型水平向取100m，模型竖向取50m，三维模型前后断面间距6 m.综合应用刚性桩和竖向土工材料进行地基处理示如图3所示.

图3 扩建建路堤地基处理示意图／m

本构模型的选取和边界约束条件与路堤新建工程分析模型相同，对不同的地基处理情况分别进行模拟计算.

2 计算模型建立模型验证

为验证本文中应用FLAC3D建立的模型正确性，采用文献［12］中的地基和路堤材料参数进行模型验证.将本文中模型赋予文献［12］中的路堤和地基的材料参数，进行模拟计算，并对计算结果进行总结分析，可以得出公路扩建引起地基表面的附加沉降，并与文献［12］的结果进行比较，可得两者的计算结果较为吻合，如图4所示，证明了本文中模型的正确性.

图4 沉降曲线对比

3 模拟计算结果及分析

3.1 地基侧向变形分析

图5给出了软土地基不采用任何措施进行处理时，路堤荷载作用后地基土的侧向位移沿深度的分布情况，其中系列名称为与路堤中心线的水平距离.模拟得到的分布曲线与文献［13］的实测和理论计算结果趋势相近.从图中可以看出随着与路堤中心线距离的增加，侧向位移有明显增加的趋势，最大的侧向变形出现在路堤坡脚附近，并且坡脚附近地基土的侧向变形会处于较高水平，坡脚外侧的土体也会发生明显的侧向变形.从图中可以看出地基土总侧向变形十分可观，如果地基土体侧向变形能够得到控制，将对降低竖向沉降十分有利.

图5 侧向位移分布图

图6给出了不同地基处理情况下，路堤坡脚处侧向变形沿深度变化曲线.可知加入竖向刚性桩之后，由于桩间土拱作用的存在，刚性桩对桩间土的侧向变形起到一定的限制作用，当桩间距较大时这种作用会变得不明显［14］.在路堤填筑过程中设置土工聚合物加筋垫层后，地基土体的侧向变形曲线总体上并没有发生明显变化，只在地表附近起到一定的限制作用.

图6 侧向位移分布曲线

当在刚性桩地基处理的基础上植入竖向土工材料后，在竖向土工材料和刚性桩的协同限制作用下，地基土的侧向变形有明显减小，并且这种方法对地基土的侧向变形的限制作用并不仅仅局限在竖向土工材料的植入范围，而是使得地基土的侧向变形总体上都会有显著减小，并且随着土工材料植入深度的增加，对侧向变形的限制作用愈加明显.

通过对拓宽路堤的模拟，得到的结果与新建路堤模拟结果相近，刚性桩和竖向土工材料的综合应用能够很好地控制地基土侧向变形的发展，地基处理效果明显.文献［11］中，应用FLAC3D分析二维弹塑性模型得出的地基土体侧向变形趋势与图6所示相近，并且模拟表明刚性桩底端进入持力层后，地基土体侧向变形会有显著减小.

3.2 地基竖向沉降分析

图7中给出了地表附近竖向沉降曲线，从图中可以得出在深厚软土情况下仅仅应用刚性桩进行地基加固对竖向沉降的控制作用并不理想.在路堤荷载作用下，刚性桩会起向地基深处传递荷载的作用，因桩端未能进入持力层，刚性桩会随地基土同时产生竖向沉降.

图7 沉降分布曲线

采用刚性桩进行地基处理情况下，在路堤底面设置土工聚合物加筋垫层，从模拟结果可以看出对竖向沉降的控制效果改善作用并不明显.因加筋垫层的作用机理主要是：增强垫层的整体性和刚度，调整不均匀沉降；扩大荷载的扩散范围，使应力均匀分布；约束下卧软弱土地基的侧向变形，但侧向变形约束作用局限在地表附近［15－16］.

当采用综合应用刚性桩和竖向土工材料进行地基处理时，竖向沉降曲线较只应用刚性桩情况有明显变化，最大沉降有明显减小.因地基土在受到竖向荷载的作用后，会产生明显的远离路堤中心线的侧向变形，竖向土工材料会很好的限制地基土的侧向变形，当土工材料与土体同时产生侧向位移时，刚性桩会对土工材料起到支撑作用.刚性桩和土工材料的协同作用能很好的控制地基土的侧向变形，进而能够很好的控制地基土竖向沉降，作用效果十分明显.

图8为路堤扩建工程中地基竖向沉降变形曲线，表明在路堤直接拓宽工程中，综合应用刚性桩和竖向土工材料能够很好的控制地基土竖向沉降和差异沉降，并且能够将路堤新建工程的横向影响范围明显缩小，地基处理效果良好.

3.3 交通荷载作用竖向沉降分析

图8 桩长8m时加宽引起地表附加沉降分布曲线

当标准轴载作用于典型沥青路面结构时，路基顶面竖向应力主要集中分布范围约为前后4m［17］，并可采用三角波加载模拟车辆荷载作用下路基顶面竖向应力变化.如图9所示，模拟结果表明，随着加载次数的增加，路堤表面的竖向沉降有增加的趋势.应用刚性桩能够明显的降低路堤表面的竖向沉降，当加入竖向土工材料之后能够进一步降低竖向沉降，故综合应用刚性桩和竖向土工材料时，在保证竖向沉降控制满足要求后，设计过程中能够适当的增加刚性桩间距来降低经济方面的投入.

图9 交通荷载作用下路堤顶面沉降分布曲线

3.4 关于路堤稳定性

图10给出了桩长为12m时，地表附近地基土竖向沉降的分布情况，表明在未处理情况下，沉降最大值出现在新建路堤截面形心处，应用刚性桩并植入竖向土工材料之后，加宽部分路堤底面的竖向沉降得到了有效的控制，沉降最大值会向路堤中心线移动，当竖向土工材料植入深度达到4m以上时，最大沉降会发生在原路堤上，对边坡稳定有利［18］.

图10 桩长12m地表附加沉降分布曲线

4 结 论

通过对模拟结果进行分析可以得出：

1）综合应用刚性桩和竖向土工材料加固软土地基，可显著减小地基土的沉降，并能够很好的控制差异沉降，保证行车安全.同时路堤底面的沉降最大值因植入竖向土工材料会向路堤中心线移动.

2）综合应用刚性桩和竖向土工材料进行软土地基加固时，能够明显的降低刚性桩之间路堤地基土的侧向变形，能够达到通过控制地基土的侧向变形以降低地基土竖向沉降的目的.

3）在实际工程中，针对不同的沉降控制要求和土质条件，可以通过现场试验和数值模拟确定经济合理的竖向土工材料植入深度，从而取得良好的经济效益.

4）本地基处理方法主要是针对侧向变形进行控制，其中竖向土工材料和刚性桩共同作用的受理机理有待进一步研究，并且施工方法需要通过现场试验来完善.

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