高速公路路基加宽泥炭质土地基加固优化研究

2022-10-15沈立森

石家庄职业技术学院学报 2022年4期

沈立森

(石家庄职业技术学院建筑工程系,河北石家庄 050081)

高速公路具有行车速度快,交通运输量大,辐射区域远等优势,可以有效提升出行效率.随着经济的快速增长,人们对交通运输的要求逐年提高,早期建设的高速公路已无法满足人们日益增长的出行需求,因此,高速公路改扩建,进行路基加宽势在必行.但由于高速公路里程长,跨域大,地基环境复杂多变,在建设过程中经常会遇到软弱土地基.软弱土具有承载力低、压缩性大等特点,会导致路基的不均匀沉降,造成路面开裂,影响行车安全.因此,在高速公路路基加宽工程中,如何解决软弱土地基的新老路基差异沉降就成为关键问题.

泥炭质土是一种矿物成分、动植物残体和腐殖质相互掺杂的特殊软弱土,其密度小,孔隙比大,含水率高,有机质含量丰富,一般呈酸性,具有明显的高压缩性,呈多级团粒结构[1].为积累工程经验,国内很多学者从不同角度对泥炭质土的工程特性及工程应用效果进行了理论研究.文献[2]通过统计128组泥炭质土样的动三轴试验数据,得出了不同埋深区间的动力学参数.文献[3]通过深层搅拌桩进行了泥炭质土地基试验,分析了复合地基加固效果.文献[4]通过计算CFG 桩(水泥粉煤灰碎石桩)的地基沉降量,与静载试验对比,得出了相关的工程适用性结论.文献[5]通过有限元软件对h型双环板支撑支护结构进行了平面模拟,得出了基坑剖面的受力变形特征.文献[6]根据软土厚度的不同,提出新老路基应采用矿渣分层填筑、土工格栅加筋连接等措施.文献[7]依托沪宁高速公路长期的观测数据,提出了加宽路段施工期间的控制指标.文献[8]依托沪杭甬和杭金街高速公路,提出了路基填高的沉降速率控制标准.

路基加宽前后存在不协调变形的主要原因在于不均匀沉降,包括新路基荷载作用使地基产生的固结变形,新路基自重产生的压缩变形和行车荷载产生的塑性变形[9].在高速公路加宽过程中,减小差异沉降的主要措施是要保证新老路基之间有效衔接,防止因路基处理方式不当造成路面裂缝.当地基下为软弱土时,不均匀沉降会更大.因此,选择合理的处理措施便成为高速公路加宽工程沉降控制的关键.

1 沉降控制措施及控制标准

1.1 沉降控制措施

(1)采用复合地基处理来控制不均匀沉降

高速公路老路基运营多年,已基本完成固结变形,工后剩余沉降很小,相对稳定.新加宽路基尚未经过车辆荷载作用,固结不充分,工后剩余沉降较大,稳定性差,特别是软土地基地段,不均匀沉降更为明显.在实际工程中,软土地基常见的复合地基处理方法为采用水泥粉煤灰碎石桩,夯实水泥土桩,挤密碎石桩等.

(2)合理处理新老路基的拼接部,提高其整体性

新老路基拼接部的处理对控制路基的不均匀沉降程度至关重要.合理的拼接措施能有效地控制沉降变形,减小车辆对路面结构的破坏.目前比较常用的拼接措施有两种:一是在新老路基拼接部进行台阶开挖,通过增大接触面积来加强路基的抗剪强度,开挖面同时可为土工格栅的敷设提供锚固空间;二是通过铺设土工格栅与新路基进行衔接,使新老路基尽量形成一个整体,减少不均匀沉降,防止路面开裂.

(3)采用轻质填料,减小差异沉降和侧向变形加宽路堤的自重是产生差异沉降和附加侧向变形的重要因素.在高速公路改扩建工程中,加宽路堤会对地基产生过大的附加应力,使路基产生差异沉降和侧向变形,为防止这种情况出现,工程中也常采用轻质土料进行路堤填筑,如二八灰土、粉煤灰、EPS(膨胀聚苯乙烯泡沫塑料)等.

1.2 沉降控制标准

《公路路基设计规范》[10](以下简称《规范》)规定:软土地基进行路基拓宽设计时,在路基拼接部应控制新老路基之间的差异沉降,既有路基与拓宽路基的路拱横坡度的工后增加值应小于0.5%,地基处理措施的选取和设计应综合考虑软土层的厚度和埋深,既有地基的固结度和剩余沉降情况,路基宽度和拼接形式等因素,以控制拓宽路基的沉降,尽量减小对既有路基的影响.

2 有限元模型的建立

2.1 条件假定

本文以某高速公路加宽工程为例,选取典型断面,利用有限元软件ADINA 建立模型.为合理进行有限元数值分析,在准确反映工程工况的前提下,做出一些条件假设.

(1)新老路基均为足够长且对称、连续,故取半结构,按二维平面处理.

(2)路基填土和地基土均为理想的均质土,本构关系按Mohr-Coulomb弹塑性模型考虑.

(3)老路基已固结完成,且采用Biot固结理论.

(4)采用初始应力状态模拟老路基的先期固结,采用荷载步技术模拟加宽路基的分层填筑加载.

(5)将路面荷载等效为1m 的填土荷载.

(6)不考虑地基土的横向不均匀性.

2.2 计算断面及参数

该断面老路基26m,两侧加宽路基各8m,路面等效荷载的路基填筑高度为5m,坡度为1∶1.5,根据地质勘探资料,该断面地面以下土层依次为2.0m亚粘土、2.5m泥炭质土、8.0m砂土.地基加固措施采用旋喷桩复合地基,正方形布置,持力层为砂土,以路基中心为对称轴,取半结构建立模型,见图1.土层计算参数见表1.

图1 半结构模型示意图

表1 土层计算参数

为保证数值模拟结果的准确性,地基和老路基采用四边形网格,新路基采用三角网络划分,地基加固前的网格划分图见图2.

图2 地基加固前的网格划分图

3 地基加固前后的变形特征分析

3.1 地基加固前的变形特征分析

3.1.1 地表面附加沉降变形特征分析

新路基填筑过程采用生死单元组模拟,每1m为一个填筑单元,当填筑高度从1m 增至5m 时,地表面附加沉降曲线见图3.

图3 地表面附加沉降曲线

由图3可知,地表面附加沉降曲线均呈“勺”形.在填筑初期,老路基中心处会出现轻微的抬升现象,从新老路基分界线开始,附加沉降量急剧增大,距老路基中心22m(新路基重心)附近的附加沉降量最大,且随新路基填筑高度的增加而增加,当填筑高度为5m 时,附加沉降量最大,约29cm.

3.1.2 路堤表面沉降变化特征分析

路堤表面沉降分析是路拱横坡度计算的依据,经数值模拟得到的新老路堤表面沉降曲线见图4.

图4 新老路堤表面沉降曲线

从图4可知,从新老路堤结合部开始,路堤表面沉降速率显著增加,在新路基肩处达到最大,填筑完成时,最大沉降值约30.8cm.工后运营10年后,固结沉降继续增加,最大沉降值约43.2cm;工后运营20年后,沉降量稍有增加,但沉降速度明显变缓,最大沉降值约46.3cm,表明新填筑路基固结已基本完成.

3.1.3 路拱横坡度特征分析

路拱横坡度是判断高速公路路基加宽工程是否合格的重要指标.横坡度过大会破坏路面结构,影响行车安全.通过分析路堤表面的沉降分布规律,可直观地反映新老路基的路拱横坡度变化情况,依据新老路堤表面沉降量进行计算,路拱横坡度计算方法见公式(1)和(2).

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其中,δi,δj分别为老路堤和新路堤的路拱横坡度;y0,yi,yj分别为老路堤中心、老路堤计算点和新路堤计算点的附加沉降值;xi,xj分别为计算点至老路堤中心、新路堤中心的距离.

路拱横坡度计算示意图见图5.

图5 路拱横坡度计算示意图

经计算,可得到新老路基的路拱横坡度工后增加值曲线,见图6.

图6 新老路基的路拱横坡度工后增加值曲线

由图6可知,未经处理地基的工后10年路拱横坡度从新老路堤结合部附近开始,均已超出《规范》中规定的小于0.5%的要求;工后20年时老路堤已基本稳定,新路堤仍有少量增加.由此可见,泥炭质土地基必须通过处理,才能减小新老路堤间的路拱横坡度,保证行车安全.

3.2 地基加固后的变形特征分析

为减小新路堤填筑造成的地表面附加沉降,对新路基的地基进行桩基处理,以提高承载能力,从而最大限度地减小路拱横坡度的工后增加值.根据实际工况可知,地基中分布有2.5m 厚的泥炭质土,因此,地基加固采用旋喷桩进行处理.为准确模拟桩土之间的摩擦力,在ADINA 软件中,将桩体表面设置为平面型接触面,桩基选取不同的桩模量、桩长、桩间距和桩径进行组合,得出不同条件下的路拱横坡度工后增加值,并与《规范》进行对比,为泥炭质土地区高速公路加宽工程的桩基处理提供参考依据.

3.2.1 不同桩模量对加固效果的影响

图7 地表面最大附加沉降与桩体模量的关系

图8 路拱横坡度工后增加值与桩体模量的关系

由图7和图8 可知,新路基地基经桩基处理后,地表面的附加沉降量明显下降.当桩体模量为5GPa 时,地表面最大附加沉降量下降至17.1cm,工后10年和20年的路拱横坡度增加值分别下降至0.81%和0.85%;当桩体模量为10GPa时,地表面最大附加沉降量再降低至13.3cm,减小了54.10%,工后10年和20年的路拱横坡度增加值再降至0.71%和0.74%.由此可见,当桩体模量为10GPa时,各项指标可得到明显改善,随着桩体模量继续增加,加固效果不再明显,因此,从经济角度考虑,桩体模量的最佳值为10GPa.但从总体来看,单纯通过调整桩体模量仍无法满足《规范》中0.5%的要求,还需要优化桩体其他参数进行综合处理.

3.2.2 不同桩径对加固效果的影响

取桩体模量为10GPa,桩径分别选取0.4m,0.5m,0.6m 和0.8m,经计算,地表面最大附加沉降量与桩径的关系见图9,路拱横坡度工后增加值与桩径的关系见图10.

图9 地表面最大附加沉降量与桩径的关系

图10 路拱横坡度工后增加值与桩径的关系

由图9和图10可知,增大桩径后,地表面的最大附加沉降量和路拱横坡度工后增加值均有所下降,但幅度很小.其原因在于桩径的增大虽然会提高桩基面积置换率,进而提高地基承载力,但桩基的处理深度范围有限,加固效果并不明显.综合施工因素,桩径宜选择0.4m.

3.2.3 不同桩间距对加固效果的影响

取桩体模量为10GPa,桩径为0.4m,桩间距分别选取1.0m,1.5m,2.0m 和2.5m,经计算,地表面最大附加沉降量与桩间距的关系见图11,路拱横坡度工后增加值与桩间距的关系见图12.

图11 地表面最大附加沉降量与桩间距的关系

图12 路拱横坡度工后增加值与桩间距的关系图

由图11和图12 可知,当桩间距从2.5m 缩小至2m 时,地表面的最大附加沉降量从13.3cm下降至8.6cm,工后10 年路拱横坡度增加值从0.71%下降至0.55%,工后20年路拱横坡度增加值从0.74%下降至0.59%,当桩间距继续缩小后,各指标仍有一定程度的下降.但从施工角度考虑,桩间距过小不仅会造成打桩困难,相邻基桩之间也易产生相互挤压现象,影响桩基质量,桩基承载力无法得到充分提高,且会增加成本.因此,从技术和经济两方面考虑,桩间距宜选择2.0m.

3.2.4 不同桩长对加固效果的影响

取桩体模量为10GPa,桩径为0.4m,桩间距为2.0m,桩长分别选取4.5m,6m,8m 和10m,经计算,地表面最大附加沉降量与桩长的关系见图13,路拱横坡度工后增加值与桩长的关系见图14.

图13 地表面最大附加沉降量与桩长的关系

图14 路拱横坡度工后增加值与桩长的关系

由图13和图14可知,增加桩长可明显改善地基的加固效果.当桩长从4.5m 加长至8.0m 时,地表面的最大附加沉降量从8.6cm 下降至4.1cm,工后10年路拱横坡度增加值从0.55%下降至0.38%,工后20 年路拱横坡度增加值从0.59%下降至0.42%,分别减小了30.90% 和28.80%;当继续增加桩长时,各指标虽有所下降,但渐趋平缓,其原因在于当桩长为8.0m 时,地表荷载无法有效传递至桩端,桩长即将达到临界状态,继续加长,不仅增加施工难度,而且增加工程成本,因此,临界桩长以8.0m 为宜.