桩基-下隔板结构处理桥头跳车问题的数值模拟研究①

连真毅

(温州市公路管理局，浙江 温州 325035)

0 引 言

桥头跳车在我国东南沿海软土地区公路工程建设中经常出现，尤其是受到地理位置和自然环境的影响，路堤沉降问题显得更加突出。依托工程的地质环境为滨海深厚软土地层，综合国内的研究现状，路堤沉降研究主要通过数值模拟和现场监测进行的。唐泉[4]经过室内实验、理论研究结合FLAC3D软件，算出了不同施工工况下的应力场和位移场，并分析了煤矸石路堤的竖向位移与应力状况。在现场观测数据的基础上，金圣杰[5]采用PLAXIS数值分析软件研究了高速公路软土地基的长期变形规律。徐江平[6]采用MIDAS GTS-NX有限元软件剖析了综合管沟和土工格栅对路堤沉降的影响。郝德强[7]用ANSYS有限元分析软件模拟了高填方路堤，得出当路堤填料被碾压夯实后，高填方路堤沉降量较小。李又云等[8]用ABAQUS软件模拟了土质为黄土路堤的沉降变形规律。在前人研究基础上，针对软土地层的桥头跳车问题，通过Midas GTS-NX模拟，探讨了不同桩长、桩间距和桩径等参数对基础沉降的影响情况，为后期将进行的现场监测提供依据。

1 工程概况

公路桥头软基综合处理是工程中的一个重要组成部分，图1为桥头路基处理过度平面图，图2为路堤正视图，水泥搅拌桩呈现梅花型布置，桩距范围取1.5m4m，桩长8m35m，桩径0.5m，钢筋混凝土板厚度为0.4m，长切缝为10m。该模型共考虑了4种工况: 工况(1)：8m长水泥搅拌桩，间距1.5m，桩径0.5m；工况(2)：12m长水泥搅拌桩，间距2m，桩径0.5m；工况(3)：20m长的管桩，间距3m，桩径40cm；工况(4)：35m长管桩，间距4m，桩直径0.4m。

图1 桥头路基处理过渡段平面图

2 路堤沉降数值模拟

2.1 模型简介

为分析不同桩长、桩间距和桩径等参数对基础沉降的影响，采用Midas GTS-NX建立路堤施工的三维有限元模型，如图3所示。以K14+187.8段为例，路基共有3层密实填土，每层填土高1.4m，下隔板材料为C25，厚0.6m，水泥搅拌桩5排，每排5根，呈现梅花型布置，所取的研究部分，充分考虑了桩的对称性，具有一般性。地基土的第一层为黏土，深20m；第二层为淤泥，深5m；第三层为粉质黏土，深15m。土层参数取值如表1所示，考虑的约束条件有：桩约束，边界约束，排水，填土非固结；并施加了静力荷载自重。

表1 模拟区间段主要土层物理力学指标

图2 路堤正视图

图3 有限元模型

2.2 土的本构模型

以K14+187.8段的土层为例，土层中的填土、淤泥、黏土和粉质黏土采用的是莫尔-库伦的本构模型。理想弹塑性是莫尔-库伦本构的重要特征。图4中所示的理想弹塑性曲线适用于大多数的岩土非线性分析，能够很好的模拟岩土材料。

图4 理想弹塑性曲线

图5 竖向位移云图

3 计算结果分析

对这4种工况的计算结果进行了对比分析。

图6 路堤不同位置沉降-时间关系

3.1 工况(1)

如图5、图6所示，图5为工况(1)的竖向位移云图，图6展示了路堤不同位置竖向位移-时间关系图，可知，在路堤边缘-5m处，基础沉降最小为0.055m；路堤中间0m，路堤边缘0m，-5m基础沉降比较接近，为0.067m。

图7 竖向位移云图

图8 路堤不同位置竖向位移-时间关系

3.2 工况(2)

如图7、图8所示，图7为工况(2)的竖向位移云图，图8说明在路堤边缘-5m处，基础最小沉降为0.039m；在路堤中间0m处竖向位移最大，为0.049m。

3.3 工况(3)

如图9、图10所示，图9为工况(3)的竖向位移云图，图10展示了路堤不同位置竖向位移-时间关系图，可知在路堤中间0m处，竖向位移最大，为0.027m；在路堤边缘-5m处，竖向位移最小为0.015m。

图9 竖向位移云图

图10 路堤不同位置竖向位移-时间关系图

图11 竖向位移云图

图12 路堤不同位置竖向位移-时间关系图

3.4 工况(4)

如图11、图12所示，图11为工况(4)的竖向位移云图，由图12可知，在路堤中间0m处，发生的竖向位移最大，为0.023m；在路堤边缘-5m处，发生的竖向位移最小为0.012m。

4 结 论

对不同施工工况下的桩基-下隔板结构路堤进行了有限元数值模拟，得出如下结论：

(1)在现场监测之前，先针对不同桩长、桩间距和桩径等参数对基础沉降的影响进行数值模拟，这和传统的数值模拟与现场监测分析相结合的研究方法略有不同，意在利用已有的数值模拟结果指导后期需要进行的现场监测试验，模拟结果也确实为现场试验方案的制作提供了实实在在的借鉴作用，有效的确保了后续工作的高效运行。

(2)通过对4种施工工况的横向与纵向对比说明，在软土地层中，桩长对基础沉降的影响较大，所以为了经济和安全考虑，选择的长一点、间距大一点的桩，将能够符合安全和经济这两个标准。

(3)除以上两点外，模型与以往的模型有所不同，具有一般性，建模的方法也对解决类似的工程案例具有指导作用。