树根桩原位托换加固岩溶路基的数值模拟研究

黎　成

(中交四公局第二工程有限公司， 北京　101100)



树根桩原位托换加固岩溶路基的数值模拟研究

黎成

(中交四公局第二工程有限公司， 北京101100)

摘要：选取张花高速公路K26+700岩溶区典型地质剖面建立有限差分模型，分析未进行树根桩原位托换加固和加入树根桩原位托换两种加固效果。由结果可知，经过树根桩原位托换加固，溶洞得到填充后，路基最大变形为25 mm，加固效果异常明显，具有良好的加固效果和经济效益。

关键词：路基； 树根桩； 岩溶； 数值模拟

由于岩溶会引起诸多高速公路路基病害，在广泛调研和深入理论分析的基础上，提出了利用静压灌浆和树根桩技术相结合的原位托换法处治思路，最大限度地保持岩溶区域岩体或土体原有的平衡状态，减小路基填筑和车行荷载对岩溶区域原始应力状态的影响[1-4]；树根桩作为复合支护结构主骨架，保障了支撑体系的抗弯刚度和抗倾覆能力，并能起到超前支护与加固的作用，保障了路基和岩溶区域岩体(土体)的安全[5-7]。

树根桩由压浆灌注成型，压力注浆渗透、压密使桩的外侧与土体(或岩体)紧密结合形成浆土复合材料，通过压力，水泥浆液被灌注到土中的裂隙中，与土体发生反应固结，能有效地提高土体的强度，通过在桩的底部进行灌浆，浆脉进一步延伸到岩土体内得到可靠的嵌固，保障了树根桩在软塑状土体、空洞与裂缝发育的岩体中，使得高速公路路基具有足够承载能力；由于树根桩在通过岩溶区域的土体时，间断穿越，减小了加固处治对原水系的影响。

1工程概况

张花高速公路位于湖南的西北部，是连接张家界和湘西自治州的一条高速公路，并与常张高速公路连接。公路建设在典型的喀斯特地区，尤其是张家界路段属不良地质，该地段存在大量的岩溶区域且沿线分布广泛的软土地质，并且该地区的地下水十分的发育，会导致地基出现各种病害，比如翻浆冒泥、隧道涌水、板底脱空等等，在地下水长期的侵蚀下，该地区的岩溶十分的发育，在公路车辆、施工荷载的冲击下极容易导致路基发生失稳、坍塌等病害，危害公路和车辆的安全。如图1所示。

图1　张花高速公路路基概况

由于张花高速公路沿线岩溶发育数目极多，且岩溶规模大小不一，为深入研究原位托换法对高速公路路基承载力的提高，选取具有典型代表的K26+700处岩溶路基进行研究，该路段区域地质如下：

根据路基的勘探结果，该场区的地层分布情况如下所示：

1) 耕植土：褐色，松散，可塑，含有植物根系，夹杂有风化碎石。本层厚度为0～0.8 m，平均厚度0.5 m，各钻孔均有出露。

2) 粉质黏土：泥黄色，硬塑，具有一定的强度，里面含有碎石。本层层厚度为1.0～6.7 m，平均厚度为5.3 m，各钻孔均有出露。

3) 泥质灰岩：呈灰白色，硬塑，强风化结构，岩质比较软，岩芯破碎，本层的厚度为12.1～12.6 m，各钻孔均有出露。

4) 中风化白云岩：灰白色中风化厚层细晶白云灰岩，岩芯呈柱状。较坚硬，主要矿物成分为白云石，岩体完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级。本次只钻入该层1.0～3.5 m，平均钻入深度为2.1 m，分布于整个场地。

2数值分析基本理论

2.1建模软件概述

FLAC软件是目前在岩土工程领域应用较为广泛的一款软件，它是由意大利Itasca公司开发的一款有限差分数值模拟软件，软件开发的基本原理是基于可变形的离散单元法，在求解几何非线性和材料非线性问题上具有独特的优势，由于岩土工程的问题大多不是规则的均质体，无论是材料还是几何特性都具有不确定性，因此，FLAC尤其适用于求解岩土力学相关的问题，并取得了很好的计算结果。

2.2本构模型选择

本文采用的分析模型是岩土工程中最为常见的摩尔-库伦模型，该模型分为弹性阶段和塑性阶段，适合于岩土工程材料的变形规律。相比较于其它的本构模型，它的参数粘聚力和内摩擦角比较容易通过试验获取。利用摩尔应力圆来模拟参数之间的关系，如图2，粘聚力为坐标系中纵坐标的截距，内摩擦角为强度直线的倾角，其强度准则为：

τ=c+σtgφ

(1)

式中：σ为岩土体破坏面上的正应力；τ为岩土体抗剪强度；c、φ分别为岩土体的粘聚力和内摩擦角。

图2　Mohr-Coulomb强度包络线

2.3模型建立原则

在构建一定的假设基础的前提下，模型的计算应遵循一定的原则：

1) 模拟边界初始条件应尽量符合实际；

2) 选取合理的本构模型；

3) 选取合适的结构单元；

4) 材料参数取值要合理；

5) 为了消除边界效应，各模型具有足够大的尺寸。

3建立有限差分模型

3.1有限差分模型建立

选取张花高速K26+700处溶洞区典型2-2剖面(见图3)，根据地层划分利用ANSYS建立原始地层有限差分模型，见图4。

图3　K26+700处2-2剖面布置图

图4　K26+700处2-2剖面地层网格划分

3.2计算参数

路基建模时，根据现场实际地质地形条件和施工方法进行，模型X方向宽度为97 m，填筑路基顶面到模型地面高度Y为34 m，厚度Z为3 m。根据计算模型的要求，对左右边界的水平位移进行约束，对前后边界的纵向位移进行约束，对模型的底部所有方向的位移进行约束，上边界作为自由边界不约束。张花高速公路K26+700处岩溶区2-2剖面原路基标高低于设计标高，需要大量填方。路基下溶洞位于中风化灰岩层，距离路基顶部标高为10.2 m，为椭圆形，长8.2 m，宽3.2 m。填方后原路基标高将在填土荷载作用下逐渐下降，按照设计要求路基填方区高度为17.3 m，为准确模拟填方后原路基及溶洞的沉降与填方高度的关系，本次分析中填筑分为8层，每层填筑高度控制在2.0～2.1 m，各填筑模拟示意图如图5所示。

图5　路基填筑及地层模型

根据张花高速K26+700岩溶路基勘察报告中的地层参数及原位抗剪试验研究得到注浆前后粘土的抗剪参数，本次数值模拟采用的具体参数如表1所示。注浆前、后各地层参数见表1。

表1 注浆前、后各地层参数类别地层弹性模量/MPa泊松比μ密度ρ/(kg·m-3)粘聚力c/kPa摩擦角φ/(°)注浆前粉质粘土200.3318002417.81泥灰岩2000.2720008025白云岩15000.23220010029注浆后粉质粘土600.2819004225.86泥灰岩2500.2520009027白云岩600.23220010029

4数值模拟分析

4.1未加树根桩路基沉降数值模拟分析

4.1.1计算初始地应力

建立原始路面及溶洞关键点监测编号和位移后，对未加树根桩填筑模型初始地应力。施加初始地应力采用的方法为更改强度参数的弹塑性求解法，即在求解初始地应力过程中土体的本构模型采用塑性模型，为了防止模型在计算过程中发生屈服导致计算结果有误，首先将粘聚力和抗拉强度调为较大值，待计算至平衡后，然后再将粘聚力和抗拉强度调小直至最终达到平衡状态。模型经过6 013步计算后达到地应力平衡状态，地应力平衡状态下模型位移及各层地应力如图6所示。

图6　自重应力下模型沉降位移

4.1.2模型填筑分析

模型位移清零后经过118 695步后，第8层路基填筑计算至平衡状态。模型位移和应力图如图7、图8所示。

图7　第8层路基填筑后位移图

图8　第8层路基填筑后垂直应力图

第8层路基填筑后，路基下面的溶洞作为地层的脆弱区垂直位移最大达到275.62 cm，溶洞区左右边部分在上覆填土荷载作用下产生最大压应力1.482 MPa。通过图8分析得出，原始路基下面的溶洞区域为整个模型的最脆弱部分，在路基进行第5层填筑时溶洞区位移已经快到1 m，到第8层填筑时，溶洞已经完全坍塌，路基局部破坏。

4.2加树根桩路基沉降数值模拟分析

4.2.1树根桩的加入

按照设计要求的直径、间距加入树根桩托换加固模型，如图9所示。由于树根桩桩间浆土复合材料的抗剪强度较天然土体强度提高，故模型中第1层黏土的抗剪强度采用表2注浆后各地强度参数。在模型中加入树根桩后采用的方法为更改强度参数的弹塑性求解法施加初始地应力，即在求解初始地应力过程中土体本构模型采用塑性模型，但是为了防止在计算过程中出现屈服区域，将土体粘聚力和抗拉强度设为较大值，计算至平衡后，再将粘聚力和抗拉强度更改为实际分析中采用的值计算至平衡状态。模型经过6 013步计算后达到地应力平衡状态。

图9　树根桩计算模型

4.2.2第8层填筑分析

模型位移清零后经过47 923步后得到收敛，第8层路基填筑计算至平衡状态后，模型位移、应力和树根桩轴力图如图10～图12所示。

第8层路基填筑后，作为路基下面脆弱区的溶洞经过树根桩原位托换后得到加固，其垂直位移最大达到34.23 mm，树根桩最大竖向轴力为108.3 kN。溶洞区左右边部分在上覆填土荷载作用下产生最大压应力0.61 MPa。

4.3溶洞顶部竖向位移监测

树根桩托换加固前后，路基中间4号点位于溶洞顶部，其沉降位移与填筑层数关系如图13所示。

图10　第8层路基填筑后位移图

图11　第8层路基填筑后垂直应力图

图12　第8层路基填筑树根桩轴力图

图13　加固前后4号点沉降位移与填筑层数关系

由图13树根桩原位托换加固前后溶洞顶部相应处的沉降位移可知：在未进行树根桩原位托换加固前，原始路基和路肩沉降位移最大达到1 m，这是因为路基其下溶洞未得到有效加强，随着填筑层数的增加，溶洞作为脆弱区发生坍塌后直接导致路基大面积的沉降，且沉降量非常大。对其进行数值模拟分析后可以发现溶洞区经过填筑后，路基中间以前变形最大达1 m的4号监测点经过树根桩原位托换加固后其变形减小到25 mm，这是因为经树根桩原位托换加固后得到的浆土复合材料其强度增加，提高路基抗变形能力，同时树根桩作为竖向和斜向受力体系承担大部分填筑土体自重荷载，原始

路基得到有效加固。

5结论

本文选取张花高速公路K26+700岩溶区典型地质剖面建立有限差分模型，导入FLAC后分析了未进行树根桩原位托换加固和加入树根桩原位托换两种加固效果，由数值分析结果可知：原始路基未进行树根桩原位托换加固时，由于下伏小型溶洞坍塌等造成路基大面积大位移沉降，而采用了树根桩原位托换后，岩溶路基的变形和应力基本上能满足要求。经过树根桩原位托换加固，溶洞得到填充后，路基最大变形为25 mm，加固效果异常明显。同时树根桩施工对环境影响极小，具有施工容易操作等优点，因此在原位托换加固高速公路岩溶路基具有良好的加固效果和经济效益。

参考文献：

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中图分类号：U 416.1

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0032-04