塑料排水板超载预压处理下高速公路软基沉降的数值模拟

2016-11-24曾欢

城市道桥与防洪 2016年3期

关键词：排水板路堤塑料

曾欢

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

塑料排水板超载预压处理下高速公路软基沉降的数值模拟

曾欢

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

通过对某核电站进厂公路塑料排水板超载预压处理路段调研工程地质条件，得到土体参数，采用等价竖墙法建立有限元模型，分析软基沉降过程中路堤有效应力、超孔隙水压力和沉降的变化情况。结果显示在填土开始至达到设计填土高度过程中，土体内的超静孔隙水压力增大。超静孔隙水压力的增大会导致路基土体的有效应力减小，进而降低土体的抗剪强度，影响路基稳定。因此路基填筑过程中应加强沉降以及侧向水平位移的监测，确保路基的稳定。同时通过现场沉降监测的结果验证了有限元模型的合理性，证实等价竖墙法用于解决塑料排水板超载预压处理下公路软基沉降模拟的合理性。

软土地基；塑料排水板超载预压处理；有限元；沉降变形

0　引言

道路在运营期间的不均匀沉降，无论对路基、路面、行车速度还是对行车安全都会造成很大的危害。在软土路基的处理应用中，由于塑料排水板具有施工方便、处理效果良好以及经济性比较好，在高等级道路的建设中被广泛的采用[1]。塑料排水板处理属于排水固结法软基处理方式的一种，排水固结工程是治本的软土工程,适用于大面积的软土加固[2]。排水固结法的机理是通过预压荷载，使被加固土体中的孔隙水排出，有效应力增加，土中孔隙体积减小，密度加大，土体强度得到提高，地基承载力也得到提高。目前对塑料排水板处理方式最终沉降量的计算和预测，还没有较为有效的方法，传统设计理论偏差较大，仍然需要研究。笔者以江苏地区某市新建主干路路堤试验塑料排水板超载预压处理的典型断面为例，建立有限元模型，并将计算沉降量与实测结果对比分析。

1　工程概况和地质条件

该道路是福建地区某核电站进厂公路，是连接该核电站与沈海高速公路的主要通道。拟建场地属滨海相丘陵剥蚀地貌,地势平缓,养殖渔塘密布,气候温暖、潮湿、多雨,年平均降水量2 000 mm左右,地表水主要为海水，受海水涨落影响较大。该公路计算行车速度80 km，路基宽度为12 m，路基设计平均填筑高度为4.0 m。地区软土基本特性为高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性。主要压缩层为淤泥，广泛分布于场地上部，灰色,浅黄色,青灰色,饱和,流塑,松散,夹薄层中砂土,含腐殖质及少量贝壳碎片。淤泥质土是第二层软弱土层，分布于场地上部，灰色，饱和，软塑，粘性强，含腐殖质，偶见贝壳碎片。

2　有限元模型建立

2.1砂井平面应变等效

目前已有的排水固结二维平面问题的计算模型中，砂井排水固结法处理软基的计算较为成熟。通常情况下竖向排水板可以简化成等效的砂墙进行计算，因此本文中选用刘加才提出的等价砂墙法[3]来计算排水板路基问题。等效砂墙法能确保转换为平面应变有限元分析的准确性;转换公式简单,在没有降低理论精度的情况下不需考虑竖墙涂抹壁,极大地方便了平面应变有限元网格的划分和计算。

文中选取的计算断面的路基处理方式是塑料排水板（100 mm×4.5 mm），间距d=1.4 m，按正三角形布置打设深度9 m。故等效砂井直径dw=2（a+b）/π =67 mm，有效影响直径de=1.05 d=1.47 m，井径比n=de/dw=21.94。竖墙作用长度为，宽度为2Bw，根据竖墙和竖井作用面积相等原则可得πγw=2Bw×2，Bw=1.36 mm；B=n2Bw=0.76 mm，khp=0.15 kh。计算时对砂墙间距作了放大，取Bw=0.1 m，B=3 m，则khp=2.09 kh。

2.2模型参数及网格划分

路堤与路基的有限元网格划分见图1，各土层有限元计算参数见表1。

图1　路堤与路基的有限元网格划分

表1　计算断面路基土体模拟模型及相应土的参数

图2　计算断面地基

由图2（a）可以看出，水位线以下路基的初始孔压力基本随着土层深度的增加而逐步增大。同一深度下，地基中部初始孔压力比两侧略大。整个地基中的初始孔压力介于0～298.92 kN/m2之间，最大值位于所研究地基中部最深处。

由图2（b）可以看出，地基的初始应力基本随着土层深度的增加而增加，道路中部地基土初始孔压力比两侧略大。整个地基中的初始应力分布介于0～585.29 kN/m2之间，最大值位于所研究地基中部最深处。

3　模拟结果分析

应用PLAXIS软件对计算断面超载预压状态进行有限元模拟并进行计算。当填土达到设计填土时，路基和路堤中的有效应力和超静孔隙水压力分布见图3和图4。

图3　达到设计填筑高度时路基及路堤有效应力分布图

图4　达到设计填筑高度时路基及路堤超静孔隙水压力分布图

由图3可以看出，在填土达到设计标高时，路基自身有效应力比较小，路基下方的地基土的有效应力有所增加但是变化很小。对于远离路基的地基土，填土的影响则更小，几乎可以忽略不计。

路基填筑初期，地基土体内的超静孔隙水压力急剧增加，越靠近路基中心，这种现象越是明显。由于加载时间较短，由填土引起的超静孔隙水压力根本来不及消散，砂墙在短时间内也不能发挥作用，因此从图4也可以看出砂墙周围一定范围内超静孔隙水压力并无变化。

综合图3、图4和图5可以得出，在填土开始至达到设计填土高度过程中，土体内的超静孔隙水压力增大，路基土体的有效应力减小，而土体的抗剪强度也随之减小；之后随着时间推移，超静孔隙水压力逐步消散，有效应力逐渐增加，路基沉降趋于稳定，地基强度不断提高。土体抗剪强度是路基稳定的关键因素，因此路基填筑过程中的应加强沉降以及侧向水平位移的监测，确保路基的稳定。