桩板结构处理公路软土地基的数值模拟研究

2019-09-10马士宾刘昊杨徐文斌许艳伟

河北工业大学学报 2019年2期

马士宾刘昊杨徐文斌许艳伟

摘要采用桩板结构处理公路软土地基能够有效控制路基的沉降。为了研究公路软土地基经桩板结构处理后的沉降规律，首先采用有限元软件Abaqus建立了基于biot固结理论的三维非线性有限元模型。然后运用Full Newton法对模型进行了求解，并系统分析了分级加载的条件下，桩距、桩布置形式及板厚等因素对路表沉降、不均匀沉降及板中最大主应力的影响。结果表明：在一定范围内，板厚越大，桩距越小，路表沉降、不均匀沉降及板中最大主应力越小，桩体按照三角形布置比按照长方形布置更能降低路表的不均匀沉降。研究结论能够为桩体结构在公路软土地基处理中的应用提供理论依据。

关键词桩板结构；软土地基；数值模拟；路表沉降；桩距；布置形式；板厚

中图分类号 U416.16 文献标志码 A

0 引言

随着公路建设的不断推进，工程技术人员经常要面临在软土地基上填筑路基的技术问题，软土地基处理的技术难点在于对路表沉降和不均匀沉降的控制，对于沉降控制的好坏完全可以决定公路使用寿命的长短。目前规范[1]中推荐的几种常用的公路软土地基处理方法有换填法、排水固结法、强夯法、CFG桩、旋喷桩等，但这几种方法在处理公路软土地基方面均有一定的局限性。桩板结构作为一种新型的复合地基，因其对填料要求低，便于控制工后沉降且整体性强、稳定性好等技术特点已经在铁路路基上得到了广泛的应用，然而，由于各种主观和客观原因，运用桩板结构处理公路软土地基的工程实例还很少。

桩板结构的组成主要有地基中的桩体和上部的承载板，桩体和承载板之间采用固接方式，施工完成后，桩-板-土会因协同作用形成了一个整体结构。桩板结构具有结构简单，受力明确，刚度大，稳定性好，竖向变形小，施工简便等优点，可以有效地满足公路的稳定和变形要求[2]。对此相关学者进行了一系列研究，涉及到技术的各个方面。沈宇鹏等[3]通过对实际工程的观测和对比分析了桩顶是否设置碎石褥垫层对沉降量和孔隙压力的影响。黄龙等[4]通过离心模拟实验研究了预压时间对桩板结构路基沉降的影响。刘军等[5]采用正交試验方法对板桩结构各部分参数进行了优化分析。谭国湖[6]通过有限元模拟对软土固结沉降机理进行了分析。何文春等[7]研究了桩板结构在处理路基采空区方面的应用。张定邦等[8]采用试验和数值模拟结合的方法研究了CFG桩板结构加固公路软土地基方面的效果。邹左胜[9]研究了桩-网复合地基各参数对其性状的影响规律。上述研究大多是针对板桩结构在铁路路基工程中的应用，相比而言，板桩结构在公路软土地基处理方面的研究还不够充分。

本文采用Abaqus有限元分析软件建立了桩板结构处理公路软土地基的三维非线性有限元模型，考虑biot固结，使用分析步设定分级加载过程，采用Full Newton法直接非对称求解器对模型进行求解，以路表沉降、不均匀沉降及板中最大主应力为研究对象，分析了不同桩距，不同布置形式及不同板厚对路表沉降、不均匀沉降和板中最大主应力的影响，最后得出结论：在一定范围内，桩距越小，路表沉降越小；三角形布置比长方形布置产生的路面顶沉降更小；板厚度的增大，使路表沉降减小。

1 桩板结构有限元模型及参数选取

1.1 建立有限元模型

本文通过Abaqus有限元分析软件建立了采用桩板结构进行公路软土地基处理的计算模型，如图1所示。路线前进方向截取的段落长度为10 m，同时考虑到应力扩散的影响，在垂直路线方向土体两侧比板边缘宽出5 m。考虑到桩为摩擦桩，主要承载力由桩侧摩阻力提供，将桩体等效为方形桩。依据桩体外侧周长不变的等效原则，选取桩径为0.5 m，转换后方形桩桩径为0.785 m，取整为0.8 m。

模型具体尺寸如图2所示，为使计算简化而做出的假设如下：1）同一种材料为均质、各向同性体；2）路面结构、板体、桩体为线弹性材料；3）路基及土体为弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则；4）桩土之间不发生相对滑动。模型边界条件：除板两侧各5 m宽的土体上表面为自由透水边界，其余均为不透水边界，模型四周边界施加法向位移约束，模型底部施加固定约束。

为了保证路基的稳定性，使超孔隙水压力消散，在实际工程中路基是分层填筑的，已有研究中对于路基填筑的模拟大多采用一次性填筑，不够合理。本文采用多个分析步来实现路基的分层填筑，首先设定*Geostatic分析步得到一个初始的地应力平衡状态，再按填筑顺序分级加载，最后采用*Soils， consolidation分析步进行求解，路基的填筑顺序和填筑时间（加载历时曲线）如图3所示，设定工后固结时间为12 a。

1.2 参数选取

路面结构及其材料属性参数如表1所示。路基顶宽为16 m，路基高度为4 m，边坡坡率为1∶1.5，路基土采用Drucker-Prager（D-P）弹塑性模型，其材料属性参数如表2和表3所示。路基下设置淤泥质黏土和粉质黏土两层软土，厚度分别为12 m和8 m，其中淤泥质黏土采用Drucker-Prager（D-P）弹塑性模型，其材料属性参数如表2和表3所示，渗透系数为0.000 12 m/d；粉质黏土采用Clay Plasticity模型，其材料特性参数如表4所示，渗透系数为0.000 06 m/d。地下水位位于淤泥质黏土顶面以下1 m，模型具体尺寸见图2所示。

2 桩板结构处理公路软土地基结构力学性能分析

2.1 桩体间距的影响

在模型中选取板体厚度为10 cm，按道路中心线对称设置4根桩，布置形式为长方形，见图7a），桩距沿路线前进方向为8 m，沿路基横断面方向桩距分别选取为8 m、12 m、16 m、20 m、24 m、28 m、32 m。在各桩距下，路表平均沉降、不均匀沉降（最大最小沉降差）及板中最大主应力随时间变化曲线分别如图4、图5、图6所示。

由图4、图5、图6可以看出，随着桩距的减小，路表的平均沉降和不均匀沉降也在逐渐降低，当桩距小于等于20 m时，路表最终的平均沉降不均匀不大，在桩距为16 m时达到最小值，不均匀沉降则在桩距为12 m时达到最低值，板中最大主应力随着桩距的减小呈现先降低后升高的趋势，在桩距为16 m时最低。这主要是因为桩板结构复合地基中桩承担了绝大部分的荷载，当桩距为32 m，即桩布置在板的两侧位置时，板跨中弯矩最大，随着桩距的减小，最大弯矩值也在减小，导致板跨中变形减小，从而使路表沉降减小。而当桩距减小到12 m时，板的两侧位置弯矩最大，随着桩距的减小，最大弯矩值在增大，导致板两侧变形增大，从而使路表沉降增大。表明在一定范围内，桩间距的减小可以减小板中的最大主应力，有利于降低路面沉降，减小不均匀沉降。

2.2 桩体布置形式的影响

为了研究桩体布置形式的影响，考虑采用桩距为16 m的2×2桩板结构下长方形布置和三角形布置2种布置形式，布置形式见图7。2种布置形式下，路表平均沉降、不均匀沉降（最大最小沉降差）及板中最大主应力随时间变化曲线分别如图8、图9、图10。

从图8、图9、图10中可以明显看出，三角形布置相比于长方形布置，路表平均沉降、不均匀沉降、板中最大主应力均有所降低，其中路表最终平均沉降值降低了5.1%，路表最终不均匀沉降值降低了39.9%，板中最大主应力降低了41.2%。说明三角形布置相对于长方形布置能够大幅度降低不均匀沉降，减小板中最大主应力。2种布置形式下的板中最大主应力云图如图11、图12所示，从图中可以看出，造成上述结果的原因是当桩体为长方形布置时，板体存在应力集中现象，而三角形布置能够使应力分散于整个板体，从而使板的变形较小，达到降低路表的不均匀沉降的效果。

2.3 板体厚度的影响

为了研究板厚对路表沉降和最大主应力的影响，采用布置形式为长方形，桩距为16 m的2×2桩板结构，分别选取5 cm、10 cm、15 cm这3种板厚进行分析，分析完成后，路表平均沉降、不均匀沉降（最大最小沉降差）及板中最大主应力随时间变化曲线分别如图13、图14、图15。

从图13、图14、图15中可以看出，路表平均沉降、路表不均匀沉降、板中最大主应力均随板厚的增加而减小，可以说明，在其他条件允许的情况下，应尽可能增加桩板结构的板体厚度。

3 结论

本文通过对桩板结构在公路软土地基处理中的有限元模拟，在分层填筑路基的荷载作用下，研究了路表平均沉降、路表不均匀沉降和板中最大主应力时间历程变化，得到以下结论：

1）在一定范围内，桩体间距的减小可以减小板中的最大主应力，有利于降低路面沉降，减少不均匀沉降。

2）当桩体为长方形布置时，板体存在应力集中现象，而三角形布置能够使应力分散于整个板体，使板的变形较小，按照三角形布置桩体相较于按照长方形布置对路表最终的平均沉降影响较小，但能够大幅度降低路表不均匀沉降和板中最大主应力。

3）路表平均沉降、路表不均匀沉降、板中最大主应力均随板厚的增加而减小，可以说明，在其他条件允许的情况下，应尽可能增加桩体结构的板体厚度。

参考文献：

[1] 中交第二公路勘察设计研究院. JTG D30-2004，公路路基设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2011.

[2] 肖宏，郭麗娜. 桩板结构技术应用研究[J]. 铁道标准设计，2010（2）：47-51.

[3] 沈宇鹏，李小和，冯瑞玲，等. 客运专线桩板结构复合地基的沉降特性[J]. 交通运输工程学报，2009，9（6）：32-35.