黎　成

(中交四公局第二工程有限公司， 北京　101100)

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樹根樁原位托換加固巖溶路基的數(shù)值模擬研究

黎成

(中交四公局第二工程有限公司， 北京101100)

摘要：選取張花高速公路K26+700巖溶區(qū)典型地質(zhì)剖面建立有限差分模型，分析未進(jìn)行樹根樁原位托換加固和加入樹根樁原位托換兩種加固效果。由結(jié)果可知，經(jīng)過樹根樁原位托換加固，溶洞得到填充后，路基最大變形為25 mm，加固效果異常明顯，具有良好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：路基； 樹根樁； 巖溶； 數(shù)值模擬

由于巖溶會引起諸多高速公路路基病害，在廣泛調(diào)研和深入理論分析的基礎(chǔ)上，提出了利用靜壓灌漿和樹根樁技術(shù)相結(jié)合的原位托換法處治思路，最大限度地保持巖溶區(qū)域巖體或土體原有的平衡狀態(tài)，減小路基填筑和車行荷載對巖溶區(qū)域原始應(yīng)力狀態(tài)的影響[1-4]；樹根樁作為復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)主骨架，保障了支撐體系的抗彎剛度和抗傾覆能力，并能起到超前支護(hù)與加固的作用，保障了路基和巖溶區(qū)域巖體(土體)的安全[5-7]。

樹根樁由壓漿灌注成型，壓力注漿滲透、壓密使樁的外側(cè)與土體(或巖體)緊密結(jié)合形成漿土復(fù)合材料，通過壓力，水泥漿液被灌注到土中的裂隙中，與土體發(fā)生反應(yīng)固結(jié)，能有效地提高土體的強(qiáng)度，通過在樁的底部進(jìn)行灌漿，漿脈進(jìn)一步延伸到巖土體內(nèi)得到可靠的嵌固，保障了樹根樁在軟塑狀土體、空洞與裂縫發(fā)育的巖體中，使得高速公路路基具有足夠承載能力；由于樹根樁在通過巖溶區(qū)域的土體時，間斷穿越，減小了加固處治對原水系的影響。

1工程概況

張花高速公路位于湖南的西北部，是連接張家界和湘西自治州的一條高速公路，并與常張高速公路連接。公路建設(shè)在典型的喀斯特地區(qū)，尤其是張家界路段屬不良地質(zhì)，該地段存在大量的巖溶區(qū)域且沿線分布廣泛的軟土地質(zhì)，并且該地區(qū)的地下水十分的發(fā)育，會導(dǎo)致地基出現(xiàn)各種病害，比如翻漿冒泥、隧道涌水、板底脫空等等，在地下水長期的侵蝕下，該地區(qū)的巖溶十分的發(fā)育，在公路車輛、施工荷載的沖擊下極容易導(dǎo)致路基發(fā)生失穩(wěn)、坍塌等病害，危害公路和車輛的安全。如圖1所示。

圖1　張花高速公路路基概況

由于張花高速公路沿線巖溶發(fā)育數(shù)目極多，且?guī)r溶規(guī)模大小不一，為深入研究原位托換法對高速公路路基承載力的提高，選取具有典型代表的K26+700處巖溶路基進(jìn)行研究，該路段區(qū)域地質(zhì)如下：

根據(jù)路基的勘探結(jié)果，該場區(qū)的地層分布情況如下所示：

1) 耕植土：褐色，松散，可塑，含有植物根系，夾雜有風(fēng)化碎石。本層厚度為0～0.8 m，平均厚度0.5 m，各鉆孔均有出露。

2) 粉質(zhì)黏土：泥黃色，硬塑，具有一定的強(qiáng)度，里面含有碎石。本層層厚度為1.0～6.7 m，平均厚度為5.3 m，各鉆孔均有出露。

3) 泥質(zhì)灰?guī)r：呈灰白色，硬塑，強(qiáng)風(fēng)化結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)比較軟，巖芯破碎，本層的厚度為12.1～12.6 m，各鉆孔均有出露。

4) 中風(fēng)化白云巖：灰白色中風(fēng)化厚層細(xì)晶白云灰?guī)r，巖芯呈柱狀。較堅硬，主要礦物成分為白云石，巖體完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。本次只鉆入該層1.0～3.5 m，平均鉆入深度為2.1 m，分布于整個場地。

2數(shù)值分析基本理論

2.1建模軟件概述

FLAC軟件是目前在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一款軟件，它是由意大利Itasca公司開發(fā)的一款有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，軟件開發(fā)的基本原理是基于可變形的離散單元法，在求解幾何非線性和材料非線性問題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，由于巖土工程的問題大多不是規(guī)則的均質(zhì)體，無論是材料還是幾何特性都具有不確定性，因此，F(xiàn)LAC尤其適用于求解巖土力學(xué)相關(guān)的問題，并取得了很好的計算結(jié)果。

2.2本構(gòu)模型選擇

本文采用的分析模型是巖土工程中最為常見的摩爾-庫倫模型，該模型分為彈性階段和塑性階段，適合于巖土工程材料的變形規(guī)律。相比較于其它的本構(gòu)模型，它的參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角比較容易通過試驗獲取。利用摩爾應(yīng)力圓來模擬參數(shù)之間的關(guān)系，如圖2，粘聚力為坐標(biāo)系中縱坐標(biāo)的截距，內(nèi)摩擦角為強(qiáng)度直線的傾角，其強(qiáng)度準(zhǔn)則為：

τ=c+σtgφ

(1)

式中：σ為巖土體破壞面上的正應(yīng)力；τ為巖土體抗剪強(qiáng)度；c、φ分別為巖土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

圖2　Mohr-Coulomb強(qiáng)度包絡(luò)線

2.3模型建立原則

在構(gòu)建一定的假設(shè)基礎(chǔ)的前提下，模型的計算應(yīng)遵循一定的原則：

1) 模擬邊界初始條件應(yīng)盡量符合實(shí)際；

2) 選取合理的本構(gòu)模型；

3) 選取合適的結(jié)構(gòu)單元；

4) 材料參數(shù)取值要合理；

5) 為了消除邊界效應(yīng)，各模型具有足夠大的尺寸。

3建立有限差分模型

3.1有限差分模型建立

選取張花高速K26+700處溶洞區(qū)典型2-2剖面(見圖3)，根據(jù)地層劃分利用ANSYS建立原始地層有限差分模型，見圖4。

圖3　K26+700處2-2剖面布置圖

圖4　K26+700處2-2剖面地層網(wǎng)格劃分

3.2計算參數(shù)

路基建模時，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)地形條件和施工方法進(jìn)行，模型X方向?qū)挾葹?7 m，填筑路基頂面到模型地面高度Y為34 m，厚度Z為3 m。根據(jù)計算模型的要求，對左右邊界的水平位移進(jìn)行約束，對前后邊界的縱向位移進(jìn)行約束，對模型的底部所有方向的位移進(jìn)行約束，上邊界作為自由邊界不約束。張花高速公路K26+700處巖溶區(qū)2-2剖面原路基標(biāo)高低于設(shè)計標(biāo)高，需要大量填方。路基下溶洞位于中風(fēng)化灰?guī)r層，距離路基頂部標(biāo)高為10.2 m，為橢圓形，長8.2 m，寬3.2 m。填方后原路基標(biāo)高將在填土荷載作用下逐漸下降，按照設(shè)計要求路基填方區(qū)高度為17.3 m，為準(zhǔn)確模擬填方后原路基及溶洞的沉降與填方高度的關(guān)系，本次分析中填筑分為8層，每層填筑高度控制在2.0～2.1 m，各填筑模擬示意圖如圖5所示。

圖5　路基填筑及地層模型

根據(jù)張花高速K26+700巖溶路基勘察報告中的地層參數(shù)及原位抗剪試驗研究得到注漿前后粘土的抗剪參數(shù)，本次數(shù)值模擬采用的具體參數(shù)如表1所示。注漿前、后各地層參數(shù)見表1。

表1 注漿前、后各地層參數(shù)類別地層彈性模量/MPa泊松比μ密度ρ/(kg·m-3)粘聚力c/kPa摩擦角φ/(°)注漿前粉質(zhì)粘土200.3318002417.81泥灰?guī)r2000.2720008025白云巖15000.23220010029注漿后粉質(zhì)粘土600.2819004225.86泥灰?guī)r2500.2520009027白云巖600.23220010029

4數(shù)值模擬分析

4.1未加樹根樁路基沉降數(shù)值模擬分析

4.1.1計算初始地應(yīng)力

建立原始路面及溶洞關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測編號和位移后，對未加樹根樁填筑模型初始地應(yīng)力。施加初始地應(yīng)力采用的方法為更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解法，即在求解初始地應(yīng)力過程中土體的本構(gòu)模型采用塑性模型，為了防止模型在計算過程中發(fā)生屈服導(dǎo)致計算結(jié)果有誤，首先將粘聚力和抗拉強(qiáng)度調(diào)為較大值，待計算至平衡后，然后再將粘聚力和抗拉強(qiáng)度調(diào)小直至最終達(dá)到平衡狀態(tài)。模型經(jīng)過6 013步計算后達(dá)到地應(yīng)力平衡狀態(tài)，地應(yīng)力平衡狀態(tài)下模型位移及各層地應(yīng)力如圖6所示。

圖6　自重應(yīng)力下模型沉降位移

4.1.2模型填筑分析

模型位移清零后經(jīng)過118 695步后，第8層路基填筑計算至平衡狀態(tài)。模型位移和應(yīng)力圖如圖7、圖8所示。

圖7　第8層路基填筑后位移圖

圖8　第8層路基填筑后垂直應(yīng)力圖

第8層路基填筑后，路基下面的溶洞作為地層的脆弱區(qū)垂直位移最大達(dá)到275.62 cm，溶洞區(qū)左右邊部分在上覆填土荷載作用下產(chǎn)生最大壓應(yīng)力1.482 MPa。通過圖8分析得出，原始路基下面的溶洞區(qū)域為整個模型的最脆弱部分，在路基進(jìn)行第5層填筑時溶洞區(qū)位移已經(jīng)快到1 m，到第8層填筑時，溶洞已經(jīng)完全坍塌，路基局部破壞。

4.2加樹根樁路基沉降數(shù)值模擬分析

4.2.1樹根樁的加入

按照設(shè)計要求的直徑、間距加入樹根樁托換加固模型，如圖9所示。由于樹根樁樁間漿土復(fù)合材料的抗剪強(qiáng)度較天然土體強(qiáng)度提高，故模型中第1層黏土的抗剪強(qiáng)度采用表2注漿后各地強(qiáng)度參數(shù)。在模型中加入樹根樁后采用的方法為更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解法施加初始地應(yīng)力，即在求解初始地應(yīng)力過程中土體本構(gòu)模型采用塑性模型，但是為了防止在計算過程中出現(xiàn)屈服區(qū)域，將土體粘聚力和抗拉強(qiáng)度設(shè)為較大值，計算至平衡后，再將粘聚力和抗拉強(qiáng)度更改為實(shí)際分析中采用的值計算至平衡狀態(tài)。模型經(jīng)過6 013步計算后達(dá)到地應(yīng)力平衡狀態(tài)。

圖9　樹根樁計算模型

4.2.2第8層填筑分析

模型位移清零后經(jīng)過47 923步后得到收斂，第8層路基填筑計算至平衡狀態(tài)后，模型位移、應(yīng)力和樹根樁軸力圖如圖10～圖12所示。

第8層路基填筑后，作為路基下面脆弱區(qū)的溶洞經(jīng)過樹根樁原位托換后得到加固，其垂直位移最大達(dá)到34.23 mm，樹根樁最大豎向軸力為108.3 kN。溶洞區(qū)左右邊部分在上覆填土荷載作用下產(chǎn)生最大壓應(yīng)力0.61 MPa。

4.3溶洞頂部豎向位移監(jiān)測

樹根樁托換加固前后，路基中間4號點(diǎn)位于溶洞頂部，其沉降位移與填筑層數(shù)關(guān)系如圖13所示。

圖10　第8層路基填筑后位移圖

圖11　第8層路基填筑后垂直應(yīng)力圖

圖12　第8層路基填筑樹根樁軸力圖

圖13　加固前后4號點(diǎn)沉降位移與填筑層數(shù)關(guān)系

由圖13樹根樁原位托換加固前后溶洞頂部相應(yīng)處的沉降位移可知：在未進(jìn)行樹根樁原位托換加固前，原始路基和路肩沉降位移最大達(dá)到1 m，這是因為路基其下溶洞未得到有效加強(qiáng)，隨著填筑層數(shù)的增加，溶洞作為脆弱區(qū)發(fā)生坍塌后直接導(dǎo)致路基大面積的沉降，且沉降量非常大。對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析后可以發(fā)現(xiàn)溶洞區(qū)經(jīng)過填筑后，路基中間以前變形最大達(dá)1 m的4號監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)過樹根樁原位托換加固后其變形減小到25 mm，這是因為經(jīng)樹根樁原位托換加固后得到的漿土復(fù)合材料其強(qiáng)度增加，提高路基抗變形能力，同時樹根樁作為豎向和斜向受力體系承擔(dān)大部分填筑土體自重荷載，原始

路基得到有效加固。

5結(jié)論

本文選取張花高速公路K26+700巖溶區(qū)典型地質(zhì)剖面建立有限差分模型，導(dǎo)入FLAC后分析了未進(jìn)行樹根樁原位托換加固和加入樹根樁原位托換兩種加固效果，由數(shù)值分析結(jié)果可知：原始路基未進(jìn)行樹根樁原位托換加固時，由于下伏小型溶洞坍塌等造成路基大面積大位移沉降，而采用了樹根樁原位托換后，巖溶路基的變形和應(yīng)力基本上能滿足要求。經(jīng)過樹根樁原位托換加固，溶洞得到填充后，路基最大變形為25 mm，加固效果異常明顯。同時樹根樁施工對環(huán)境影響極小，具有施工容易操作等優(yōu)點(diǎn)，因此在原位托換加固高速公路巖溶路基具有良好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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中圖分類號：U 416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0032-04