曾歡

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

塑料排水板超載預(yù)壓處理下高速公路軟基沉降的數(shù)值模擬

曾歡

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

通過對(duì)某核電站進(jìn)廠公路塑料排水板超載預(yù)壓處理路段調(diào)研工程地質(zhì)條件，得到土體參數(shù)，采用等價(jià)豎墻法建立有限元模型，分析軟基沉降過程中路堤有效應(yīng)力、超孔隙水壓力和沉降的變化情況。結(jié)果顯示在填土開始至達(dá)到設(shè)計(jì)填土高度過程中，土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力增大。超靜孔隙水壓力的增大會(huì)導(dǎo)致路基土體的有效應(yīng)力減小，進(jìn)而降低土體的抗剪強(qiáng)度，影響路基穩(wěn)定。因此路基填筑過程中應(yīng)加強(qiáng)沉降以及側(cè)向水平位移的監(jiān)測(cè)，確保路基的穩(wěn)定。同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)的結(jié)果驗(yàn)證了有限元模型的合理性，證實(shí)等價(jià)豎墻法用于解決塑料排水板超載預(yù)壓處理下公路軟基沉降模擬的合理性。

軟土地基；塑料排水板超載預(yù)壓處理；有限元；沉降變形

0　引言

道路在運(yùn)營(yíng)期間的不均勻沉降，無論對(duì)路基、路面、行車速度還是對(duì)行車安全都會(huì)造成很大的危害。在軟土路基的處理應(yīng)用中，由于塑料排水板具有施工方便、處理效果良好以及經(jīng)濟(jì)性比較好，在高等級(jí)道路的建設(shè)中被廣泛的采用[1]。塑料排水板處理屬于排水固結(jié)法軟基處理方式的一種，排水固結(jié)工程是治本的軟土工程,適用于大面積的軟土加固[2]。排水固結(jié)法的機(jī)理是通過預(yù)壓荷載，使被加固土體中的孔隙水排出，有效應(yīng)力增加，土中孔隙體積減小，密度加大，土體強(qiáng)度得到提高，地基承載力也得到提高。目前對(duì)塑料排水板處理方式最終沉降量的計(jì)算和預(yù)測(cè)，還沒有較為有效的方法，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論偏差較大，仍然需要研究。筆者以江蘇地區(qū)某市新建主干路路堤試驗(yàn)塑料排水板超載預(yù)壓處理的典型斷面為例，建立有限元模型，并將計(jì)算沉降量與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析。

1　工程概況和地質(zhì)條件

該道路是福建地區(qū)某核電站進(jìn)廠公路，是連接該核電站與沈海高速公路的主要通道。擬建場(chǎng)地屬濱海相丘陵剝蝕地貌,地勢(shì)平緩,養(yǎng)殖漁塘密布,氣候溫暖、潮濕、多雨,年平均降水量2 000 mm左右,地表水主要為海水，受海水漲落影響較大。該公路計(jì)算行車速度80 km，路基寬度為12 m，路基設(shè)計(jì)平均填筑高度為4.0 m。地區(qū)軟土基本特性為高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性。主要壓縮層為淤泥，廣泛分布于場(chǎng)地上部，灰色,淺黃色,青灰色,飽和,流塑,松散,夾薄層中砂土,含腐殖質(zhì)及少量貝殼碎片。淤泥質(zhì)土是第二層軟弱土層，分布于場(chǎng)地上部，灰色，飽和，軟塑，粘性強(qiáng)，含腐殖質(zhì)，偶見貝殼碎片。

2　有限元模型建立

2.1砂井平面應(yīng)變等效

目前已有的排水固結(jié)二維平面問題的計(jì)算模型中，砂井排水固結(jié)法處理軟基的計(jì)算較為成熟。通常情況下豎向排水板可以簡(jiǎn)化成等效的砂墻進(jìn)行計(jì)算，因此本文中選用劉加才提出的等價(jià)砂墻法[3]來計(jì)算排水板路基問題。等效砂墻法能確保轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變有限元分析的準(zhǔn)確性;轉(zhuǎn)換公式簡(jiǎn)單,在沒有降低理論精度的情況下不需考慮豎墻涂抹壁,極大地方便了平面應(yīng)變有限元網(wǎng)格的劃分和計(jì)算。

文中選取的計(jì)算斷面的路基處理方式是塑料排水板（100 mm×4.5 mm），間距d=1.4 m，按正三角形布置打設(shè)深度9 m。故等效砂井直徑dw=2（a+b）/π =67 mm，有效影響直徑de=1.05 d=1.47 m，井徑比n=de/dw=21.94。豎墻作用長(zhǎng)度為，寬度為2Bw，根據(jù)豎墻和豎井作用面積相等原則可得πγw=2Bw×2，Bw=1.36 mm；B=n2Bw=0.76 mm，khp=0.15 kh。計(jì)算時(shí)對(duì)砂墻間距作了放大，取Bw=0.1 m，B=3 m，則khp=2.09 kh。

2.2模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

路堤與路基的有限元網(wǎng)格劃分見圖1，各土層有限元計(jì)算參數(shù)見表1。

圖1　路堤與路基的有限元網(wǎng)格劃分

表1　計(jì)算斷面路基土體模擬模型及相應(yīng)土的參數(shù)

圖2　計(jì)算斷面地基

由圖2（a）可以看出，水位線以下路基的初始孔壓力基本隨著土層深度的增加而逐步增大。同一深度下，地基中部初始孔壓力比兩側(cè)略大。整個(gè)地基中的初始孔壓力介于0～298.92 kN/m2之間，最大值位于所研究地基中部最深處。

由圖2（b）可以看出，地基的初始應(yīng)力基本隨著土層深度的增加而增加，道路中部地基土初始孔壓力比兩側(cè)略大。整個(gè)地基中的初始應(yīng)力分布介于0～585.29 kN/m2之間，最大值位于所研究地基中部最深處。

3　模擬結(jié)果分析

應(yīng)用PLAXIS軟件對(duì)計(jì)算斷面超載預(yù)壓狀態(tài)進(jìn)行有限元模擬并進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)填土達(dá)到設(shè)計(jì)填土?xí)r，路基和路堤中的有效應(yīng)力和超靜孔隙水壓力分布見圖3和圖4。

圖3　達(dá)到設(shè)計(jì)填筑高度時(shí)路基及路堤有效應(yīng)力分布圖

圖4　達(dá)到設(shè)計(jì)填筑高度時(shí)路基及路堤超靜孔隙水壓力分布圖

由圖3可以看出，在填土達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，路基自身有效應(yīng)力比較小，路基下方的地基土的有效應(yīng)力有所增加但是變化很小。對(duì)于遠(yuǎn)離路基的地基土，填土的影響則更小，幾乎可以忽略不計(jì)。

路基填筑初期，地基土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力急劇增加，越靠近路基中心，這種現(xiàn)象越是明顯。由于加載時(shí)間較短，由填土引起的超靜孔隙水壓力根本來不及消散，砂墻在短時(shí)間內(nèi)也不能發(fā)揮作用，因此從圖4也可以看出砂墻周圍一定范圍內(nèi)超靜孔隙水壓力并無變化。

綜合圖3、圖4和圖5可以得出，在填土開始至達(dá)到設(shè)計(jì)填土高度過程中，土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力增大，路基土體的有效應(yīng)力減小，而土體的抗剪強(qiáng)度也隨之減??；之后隨著時(shí)間推移，超靜孔隙水壓力逐步消散，有效應(yīng)力逐漸增加，路基沉降趨于穩(wěn)定，地基強(qiáng)度不斷提高。土體抗剪強(qiáng)度是路基穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，因此路基填筑過程中的應(yīng)加強(qiáng)沉降以及側(cè)向水平位移的監(jiān)測(cè)，確保路基的穩(wěn)定。

圖5　路基土體內(nèi)超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化圖

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果繪制了路基沉降隨荷載變化曲線，見圖6。從圖6可以看出，有限元模擬曲線和實(shí)測(cè)沉降曲線基本一致，證實(shí)了通過有限元模型所計(jì)算的沉降變形規(guī)律的有效性。

圖6　有限元模擬沉降量與荷載關(guān)系曲線

4　結(jié)　論

（1）相較于路基沉降計(jì)算的傳統(tǒng)理論方法，有限單元法可以用來解決非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件問題，更好的滿足沉降預(yù)測(cè)的實(shí)際需要。因此有限元法可以用于塑料排水板超載預(yù)壓處理下高速公路軟基沉降的數(shù)值模擬和計(jì)算。

（2）塑料排水板處理可以看做是等效砂墻，而應(yīng)用等價(jià)豎墻法可以方便準(zhǔn)確地計(jì)算塑料排水板處理下的路基沉降計(jì)算問題。

（3）在填土開始至達(dá)到設(shè)計(jì)填土高度過程中，土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力增大，路基土體的有效應(yīng)力減小，而土體的抗剪強(qiáng)度也隨之減小，并影響路基穩(wěn)定。因此路基填筑過程中應(yīng)加強(qiáng)沉降以及側(cè)向水平位移的監(jiān)測(cè)，確保路基的穩(wěn)定。

（4）路基在達(dá)到填土高度后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，超靜孔隙水壓力逐漸消散，土顆粒間孔隙減小，沉降逐漸消除，地基強(qiáng)度不斷提高。

[1]龔曉南.地基處理手冊(cè)(第三版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

[2]楊順安,馮曉臘,張聰辰.軟土理論與工程[M].北京:地質(zhì)出版社, 2000.

[3]劉加才,施建勇.一種豎井地基豎墻化等效計(jì)算方法[J].巖土力學(xué),2004,25(11):1782-1785.

U416.1

B

1009-7716（2016）03-0043-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.012

2015-11-11

曾歡（1984-），女，江西九江人，工程師，從事公路、城市道路設(shè)計(jì)工作。