基于数值分析的纵向加筋对浸水路堤的稳定性影响研究

和胜军

摘要：万万高速公路南段路基在雨季长期处于浸水状态，如何提高浸水路堤的长期稳定性是亟待解决的工程问题。本文针对桩网纵向加筋对浸水路堤稳定性的影响展开研究，研究采用FLAC3d软件构建浸水路堤的三维数值仿真模型，针对浸水路堤桩网加固的不同参数（桩间距、桩长等）对路堤的变形特性、承载能力及荷载传递特性等的影响进行研究，研究结论可应用于指导桩网加固浸水路堤的设计与施工。

Abstract： The subgrade of the southern section of Wanxiang-Wanrong Expressway has been flooded for a long time in the rainy season. How to improve the long-term stability of flooded embankment is an engineering problem that needs to be solved urgently. In this paper， the influence of longitudinal reinforcement of pile network on the stability of flooded embankments is carried out. The research uses FLAC3d software to build a three-dimensional numerical simulation model of flooded embankments. The effects of deformation characteristics， bearing capacity and load transfer characteristics are studied， and the research conclusions can be used to guide the design and construction of pile network to strengthen flooded embankments.

关键词：浸水路堤;桩网;复合地基;数值分析

Key words： flooded embankment;pile network;composite foundation;numerical analysis

中圖分类号：U416.12                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0131-03

1  工程背景

万万高速公路是老挝磨丁口岸至万象高速公路中的万荣至万象段，该高速公路起于万象市，终于万荣市，向北经琅勃拉邦对接中国磨憨口岸，顺接G8511昆明至磨憨高速公路;向南连接老挝-泰国边境的老泰友谊大桥，连接泰国廊开区境内的高速公路，是亚洲昆曼国际大通道的重要构成部分，此高速公路的设计全长达460余公里，其中第一段万象至万荣高速公路的全长为109.1公里。

由于万万高速地处热带雨林地区，该高速公路穿行地段高温多雨，年平均气温处于25～28℃之间，全年雨季长，年降水量大，可达2000mm以上。万万高速公路南段地处万象平原地带，地势平缓，河道稀疏，排水条件差;此外，万万高速公路与中老铁路并肩而行，当雨季来临的时候，铁路与公路之间会产生大量雍水，尽管公路和铁路均设有排水涵洞，但涵洞间距较远，且两侧地势平缓，排水效果较差。在典型的热带雨林区，高温多雨是其明显的气候特征，导致其高速公路在建设期和运营期存在大量的雨水。水会对土质路基的强度和变形产生重要的影响，是导致路基病害的关键因素，长期浸水的高速公路路基很容易受到水的侵蚀和软化，水的综合影响将危机高速公路路基的安全，常常引发公路路基土体的软化、颗粒流失，并进一步导致路基的翻浆冒泥、整体失稳、边坡垮塌等一系列的病害，对行车安全产生重大危害，甚至会阻断道路交通，造成巨大的经济与安全损失。

采用微型桩纵向加筋是地基加固的常用方法，本文拟采用数值分析方法研究桩网纵向加筋对浸水路堤稳定性的影响，研究桩网的不同参数对路基稳定性产生的不同影响，以期为浸水路堤的加固与病害处治提供技术方案的选项。

2  桩网纵向加筋复合地基数值模型构建

为了研究万万高速公路桩网纵向加筋对浸水路堤稳定性的影响，本研究拟采用FLAC3D建模的方法进行数值分析，对路堤纵向加筋形成复合路基，研究不同的加筋参数包括：桩长和桩间距等对路基的沉降特性、承载能力及荷载传递特性的影响进行研究。

2.1 模型构建

研究对象选择釆用CFG桩加固，桩顶垫层厚度为0.3m，路基顶面宽度为46m，横坡与纵坡的坡度均为0°，路堤边坡坡度为68.2°，如图1所示模型中土体的本构模型采用摩尔-库仑模型，在分析时由于填方路基可以归纳为轴对称平面应变问题，依照对称性原则完成对模型的假设：①土的渗流速率恒定可以忽略时间的影响;②土为弹塑体;③土体中水的流动遵从达西定律;④土是连续且土体均匀。采用FLAC3D有限元软件建立公路模型，并完成对模型的网格划分，由于地基在变形中位移量较小，因此划分较为稀疏;路基在变形中的位移量相对来说较大，因此在划分网格的时候较为密集，在不影响计算精度的同时，加快计算进程。在对边界施加约束时，考虑实际情况，对路基底部采用完全约束;对地基横向施加约束，竖向不施加约束。

2.2 模型参数选取

数值分析模型中原位地基土体、路基填料、垫层等材料的本构模型均釆用Mohr-Coulomb模型，采用Mohr-Coulomb模型不仅反映实际受力和变形能力较好而且参数容易确定。桩基础的本构模型釆用线弹性模型，模型参数主要包括弹性模量E和泊松比。模型中主要材料的物理力学参数见表1所示。

3  数值分析结果

3.1 路堤土压力横向分布模拟分析

如前所述建立数值模型，对不同路基填筑高度条件下的路堤竖向土压力进行计算，分析得出不同路基填筑高度时的竖向土压力分布规律，共分析了三种路基填筑高度，分别为：2m、4m、6m，不同填筑高度时路堤竖向土压力的分布特征见图2所示。

由图2可知，当路基填筑高度H=2m时，路堤的桩间土拱高度约约为1.2m，约为桩净间距的1.2倍;当路基填筑高度为4m时，桩间土拱高度达到1.7m，约为桩净间距的1.7倍;而当路基填筑高度H=6m时，桩间土拱高度约为1.9m，相当桩净间距的1.9倍。

3.2 路堤基底应力模拟分析

对不同路基填筑高度条件下的路堤基底应力进行数值计算，分别针对三种不同路基填筑高度进行计算，包括2m、4m、8m，可分别获得不同路基填筑高度是的路堤基底应力，不同路堤填筑高度时的基底应力分布曲线见图3所示。

由图3可知，桩顶基底应力显著大于桩间土应力，应力最大位置处于路基中心桩顶处，与此同时路基的基底应力自路基中心向外逐步衰减，在边坡范围内快速衰减为零。此外随着路基填筑高度增加，桩顶处承担的应力快速增加，应力的分布形状逐步由弧形分布转变为线性分布。当路基填土高度为2m时，路基横向桩顶应力分布基本均匀;而当路基填土高度达到8m时，路基宽度范围内桩所承受的应力分布差异逐步加大，路基中心桩基承受的压力显著大于外侧桩顶承受的应力。

3.3 桩间距和桩土应力比模拟

本文进一步分析了桩间距对桩土应力比的影响，分析结果如图4所示，根据桩间距和桩土应力比的关系曲线可知，随着桩间距的增大，桩间应力比同步增大，而且当路堤填高较小时，随着桩间距的增加桩土应力比快速增加，而当路堤的填土高度大于8m时，柱间距的变化对桩土应力比的影响变得很微弱，桩间距对于桩土荷载分担所产生的调节作用不再明显。

3.4 基底桩土沉降横向分布模拟

此外，本研究还对不同桩帽高度对桩土沉降的影响进行了分析计算，分别计算了桩帽高度为2m、4m、6m时，桩顶沉降量、桩间土的沉降量、桩土差异沉降量三个参数，计算结果如图5所示。

根据图5的数据可知，随着路堤填土高度的增加，路堤的总沉降量同步增加，而柱间土的沉降量要显著超出桩顶的沉降量。当路堤填筑完成时，路堤中心位置桩间土的累计最大沉降量达到143.2mm，而桩顶的累计沉降量为140.3mm。桩顶和桩间土的沉降量沿基底的分布趋势基本保持一致，呈现出自路基中线向坡脚处逐步递减的“U”型曲线;随着路堤填方的增高，路基宽度范围土体的沉降增速逐步大于边坡的范围，而且在路堤中线附近土体的沉降速率最大。

4  结语

根据现场试验得到的土体物理力学参数，构建了数值分析模型，模拟了浸水路堤纵向加筋对路堤稳定性的影响，综合考虑了不同的桩间距、桩长、路堤填土高度等不同参数组合对浸水路堤荷载传递及沉降特性的影响，研究结果表明纵向加筋对浸水路堤的压缩变形特性具有显著的约束效应，对路堤的侧向变形也具有显著的约束作用，研究得出的主要结论如下：

①桩所产生的土工效应对路堤应力的影响随着填土深度的变化为先增后减，且路堤土体压应力随着深度的增加同步增加;土工高度随着桩间距的增大同步增大，与此同时桩顶上方的土压力也随之增大。

②处于路堤中线位置的基底桩顶应力值最大，而桩间土所承受的压应力较小，路堤基底的压应力随着与路堤中线的距离逐步减小，处于边坡范围内压应力的衰减效应十分顯著。

③随着路堤填土高度的增加，桩土应力比逐步增大，当路堤填土高度大于8m时，桩土应力比的增幅逐步减缓，并趋于稳定。

参考文献：

[1]郑军锋.路堤荷载下挤密螺纹桩复合地基沉降现场试验[J].福建工程学院学报，2019，17（04）：307-313.

[2]刘飞成，张建经，曾鹏毅.一种桩网路堤荷载传递机制的简化分析方法[J].岩石力学与工程学报，2018，37（S1）：3747-3755.

[3]许朝阳，周锋，吕惠，马耀仁，孟涛，完绍金.动荷载下桩承式路堤的承载特性及机制研究[J].岩土力学，2014，35（11）：3231-3239.

[4]张睿，徐永福，于波.交通荷载下低路堤高速公路路基沉降计算[J].地下空间与工程学报，2016，12（04）：952-957.

[5]李善珍，马学宁，田兆斌.路堤荷载下长短桩加固黄土地基影响因素的分析[J].铁道科学与工程学报，2017，14（02）：241-249.

[6]王有杰.路堤荷载作用下PCC桩应用及工作特性分析[J].公路，2017，62（07）：80-84.