考虑地基土固结的桩承式路堤位移变化规律有限元分析

2022-06-11曹学卫

山西交通科技 2022年2期

曹学卫

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西孝义 032300）

桩承式加筋路堤是一种由地基、桩、加筋垫层和填料组成的复合体系[1-3]。随着我国经济建设的快速发展，其在高速公路和铁路的地基处理中得到了广泛应用[4-5]。目前，对桩承式加筋路堤作用机理的研究方法主要包括理论研究、试验研究和数值模拟3个方面[6-7]。

理论研究方面，太沙基[8]基于砂土活动门试验证明了土拱效应的存在，并且得出产生土拱效应需要具备的两个必要条件。Hewlett[9]根据极限平衡理论，分别将路堤土拱形状假定为半圆形和半球形模型，推导出二维和三维桩基荷载分担比，并通过模型试验结果验证了理论模型的合理性。试验研究方面，Young[10]，Chen[11]以及Van Eekelen[12]分别通过模型试验验证了土拱效应的存在，并对比分析了不同工况下基底沉降、筋材应变和桩体荷载分担比的变化规律。数值模拟方面，Han[13]采用FLAC阐明了加筋过程中的最大拉力位于桩帽边缘位置；钱劲松等[14]通过三维有限元计算分析，验证了桩承式加筋路堤的作用机理，阐明了桩承式加筋路堤能够充分减小路堤表面不均匀沉降以及地基软土中的超孔隙水压力；余闯等[15]在模型试验结果的基础上建立了三维有限元计算模型，通过分析桩承式路堤中土体竖向应力的分布特点，揭示了土拱内部的竖向应力随深度非线性减小；赖汉江等[16]通过PFC 2D建立桩承式路堤离散元计算模型，针对土拱形态及其演变规律进行了分析研究，同时引入荷载修正系数对土拱模型进行了改进，并开展了筋材受力变形计算。

综上可知，许多学者通过现场试验和室内试验对桩承式路堤进行了研究，但是，考虑地基土固结影响的研究比较少见。

本文通过有限元计算方法对考虑地基土固结沉降作用的桩承式路堤进行了研究，主要考虑了加筋与地基土固结沉降情况等参数，对桩承式路堤沉降变形性状进行了分析研究。

1 有限元模型建立

采用有限元软件对桩承式加筋路堤位移变化特性进行分析研究，创建路堤二维平面计算模型，其长度和高度分别为200 cm和100 cm，模型左右两侧各布设桩径为5 cm的刚性桩作为侧桩，模型路堤中间等间距布设桩径为25 cm的刚性桩，刚性桩的高度均为50 cm，分别在埋深15 cm、30 cm、45 cm的位置进行监测。模型路堤填料和桩间土均选用了标准砂，且颗粒粒径主要集中在1～10 mm。采用颗料级配测定试验（筛分法）、三轴压缩试验（UU）等常规试验方法对标准砂填料物理力学性质进行了系统测定，相关物理参数根据室内试验选取，桩体和土工格栅材料参数根据室内试验结合相关文献[6-7]进行选取，模型各项材料参数详见表1。

表1 材料参数表

为了模拟砂土与桩体间相互滑移，在桩土与砂体间建立界面单元，参考相关文献[15-16]接触参数取值如下：法线刚度模量Kn=1e+09 N/m3，剪切刚度模量Kt=1e+03 N/m3，黏聚力C=5 N/m2，摩擦角φ=35°。模型表面为自由边界，两侧为法向位移约束边界条件，模型底部一组为固定边界条件，用以对模型进行约束，另一组为配合模型底部桩间砂土下沉进行释放，用以模拟地基土的固结过程。

首先，进行初始地应力平衡，位移清零。然后通过释放中间3根桩间砂体底部约束，并对相应节点施加垂直向下的位移来模拟地基土的固结沉降，采用软件施工阶段分析，逐级施加位移增量，从5 mm增加至40 mm，模拟分为5个等级进行。左右两侧桩的桩径为5 cm，中间3根桩的桩径为25 cm，桩净距为25 cm，模拟两种不同加筋工况，即：第一种工况为无土工格栅，第二种工况为在填土高度为5 cm处（即距离模型路堤底面55 cm高度处）设置一层土工格栅。

2 位移计算结果与分析

通过有限元计算获得了地基土在不同固结沉降工况下的位移场，埋深分别为15 cm、30 cm、45 cm处位移曲线如图1～图3所示。图中origin代表初始工况，位移为0，dis-5代表下沉位移为5 mm工况，dis-5-gs代表下沉位移为5 mm，加筋工况。

图1 埋深为15 cm的砂体不同工况沉降曲线图

图2 埋深为30 cm的砂体不同工况沉降曲线图

图3 埋深为45 cm的砂体不同工况沉降曲线图

图1表明，随着地基土固结沉降的增大，桩承式路堤的位移逐渐增大。当地基土固结沉降为5 mm时，加筋前后位移基本一致且约为0.9 mm；当地基土固结沉降达到20 mm时，加筋效果开始体现，路堤位移从加筋前的3.5 mm减小为2.5 mm，减小了1.0 mm；当地基土固结沉降达到30 mm时，路堤位移从加筋前的5.3 mm减小为3.4 mm，减小了1.9 mm；当地基土固结沉降达到40 mm时，路堤位移从加筋前的7.0 mm减小为4.2 mm，减小了2.8 mm。因此可得出，桩承式路堤位移的减小值随地基土固结沉降的增大而增大。未加筋时，位移随地基土固结沉降量呈线形关系；加筋后，加筋控制效果随地基土固结沉降量的增加而增强。

图2表明，埋深为30 cm同埋深为15 cm的情况类似，随地基土固结沉降的增大，桩承式路堤的位移逐渐增大。沉降曲线形状整体呈W形状，且随地基土固结沉降的增大，中心点与两侧位移极值点的位移差增大。当固结沉降量为5 mm时，加筋前后位移基本一致，约为1.1 mm；当固结沉降达到20 mm时，加筋效果开始显现出来，路堤位移从加筋前的4.3 mm减小为3.2 mm，减小了1.1 mm；当固结沉降达到30 mm时，路堤位移从加筋前的6.4 mm减小至4.3 mm，减小了2.1 mm；当固结沉降量达到40 mm时，路堤位移从加筋前的8.6 mm减小为5.3 mm，减小了2.3 mm。同样，未加筋时，位移随地基土固结沉降量呈线形关系；加筋后，加筋控制效果随地基土固结沉降量的增加而增强。桩承式路堤位移减小值随地基土固结沉降的增大而增大。

图3表明，埋深为45 cm时，中心点位移与两侧位移极值点的位移差进一步增大。当固结沉降量为5 mm时，加筋前后位移基本一致，约为1.5 mm；当固结沉降量达到20 mm时，加筋效果开始显现出来，路堤位移从加筋前的6.3 mm减小为4.6 mm，减小了1.7 mm；当固结沉降量增至30 mm时，路堤位移从加筋前的9.5 mm减小为6.1 mm，减小了3.4 mm；当固结沉降量达到40 mm时，路堤位移从加筋前的12.7 mm减小为7.7 mm，减小了5 mm。显然，桩承式路堤位移减小值随地基土固结沉降量的增大而增大，且经与前两种情况比较发现，每个固结沉降增量对应路堤位移减小值较埋深15 cm和30 cm时增大。因此，结果表明，随埋深的增加，加筋效果逐渐增强，且差异沉降越大加筋效果越显著。