童 明
(南方工程檢測修復(fù)技術(shù)研究院 廣東惠州516000)
兩側(cè)加寬的道路擴(kuò)寬工程中,新老路堤下地基土體的不均勻沉降和變形是關(guān)鍵技術(shù)問題。拓寬擴(kuò)建路基較一次性新建路基沉降演變過程復(fù)雜,需重視新老路基之間的相互作用。老路堤下的地基土體,在道路使用多年后,經(jīng)過長時(shí)間的荷載作用和固結(jié)沉降過程,在現(xiàn)有的荷載應(yīng)力下,其固結(jié)已完成,變形已穩(wěn)定。擴(kuò)寬工程新增加拓寬路堤,相當(dāng)于對地基土體增加了新的外部恒載,這勢必引起新老路堤下的土體產(chǎn)生附加沉降變形,而新老路堤下的地基土體固結(jié)狀態(tài)的不同,又將導(dǎo)致兩者差異沉降的產(chǎn)生,相對過大的差異沉降,進(jìn)而會(huì)引起路基的變形,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)路基的拉裂,下沉過速等病害,將會(huì)對道路的正常運(yùn)營帶來難以估量的不良后果。因此拓寬工程應(yīng)控制附加沉降及差異沉降[1-3]。
輕質(zhì)填料法,是指路堤采用容重很小的輕質(zhì)材料填筑,通過減輕路堤的自重,使地基所承受的上覆荷載減小,進(jìn)而減小地基的壓縮量,使路堤沉降量減小。對于擴(kuò)建工程而言,拓寬路堤使用輕質(zhì)填料,對下覆地基新增的荷載較小,有效應(yīng)力的影響深度和強(qiáng)度減小,提高地基的穩(wěn)定性,減少路基沉降、側(cè)向變形和新老路基的不均勻沉降,降低新路堤對老路堤的影響。另外,在節(jié)約用地、降低工程造價(jià)和縮短工期等方面,輕質(zhì)填料加寬路堤具有明顯優(yōu)勢[4-8]。
國內(nèi)外的輕質(zhì)填料種類較多,常用的有:粉煤灰輕質(zhì)土、泡沫塑料塊體輕質(zhì)土(EPS)、泡沫塑料顆粒混合輕質(zhì)土、氣泡混合輕質(zhì)土、SLM 輕質(zhì)混合填料等。
本文采用有限元方法,對輕質(zhì)填料法在路堤加寬中的地基變形特性進(jìn)行計(jì)算分析,獲得影響因素與地基變形的關(guān)系。
某道路擴(kuò)寬工程老路堤寬度26 m,填土高度4 m,路堤邊坡坡度為1∶1.75,老路營運(yùn)10年后進(jìn)行加寬工程,在原有的路堤兩側(cè)各加寬8 m,新路堤采用輕質(zhì)土(γ=6.0 kN/m3)直立填筑。
地基土層從上往下依次是:〈1〉硬殼層(厚3 m);〈2〉淤泥質(zhì)亞粘土層(厚16 m);〈3〉粗砂層(下臥層)。有限元分析的本構(gòu)模型:硬殼層、淤泥質(zhì)亞粘土層采用修正劍橋模型;粗砂層、原路堤填土與新路堤輕質(zhì)土采用線彈性體模型。
老路采用塑料排水板處理軟土層,塑料排水板平面上為等邊三角形分布,間距1.5 m,貫穿軟土層。加寬部分采用輕質(zhì)土直立填筑。計(jì)算過程分為4 個(gè)時(shí)段:老路堤施工期、老路堤工后固結(jié)期(道路運(yùn)營期10年)、新路堤施工期、新老路堤工后固結(jié)期(道路運(yùn)營期15年)。
因路基斷面是軸對稱,計(jì)算時(shí)取路基斷面的一半進(jìn)行計(jì)算分析。地基計(jì)算分析寬度60 m,深度40 m。
道路擴(kuò)建工程中,采用輕質(zhì)填料填筑拓寬路堤非常顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可直立式填筑。直立式填筑能有效地減少占用土地,降低征地成本,有顯著經(jīng)濟(jì)效益[8,9]。為研究填筑幾何斷面的影響,對直立式填筑與斜坡式填筑兩個(gè)工況進(jìn)行對比分析。
⑴由圖1 可知,兩者最大沉降值相差不大,但直立式填筑的沉降曲線較陡,而斜坡式填筑的曲線變化較平緩。究其原因,直立式填筑在橫斷面上存在上覆荷載突變。
圖1 地表處附加沉降曲線圖Fig.1 Additional Settlement of Ground
⑵老路堤坡腳處下地基側(cè)向位移曲線,兩者接近,側(cè)向位移值小。新路堤坡腳處下地基側(cè)向位移曲線,兩者有較大區(qū)別,斜坡式填筑較直立式填筑有較大的側(cè)向位移值,直立式最大值在深度3 m 處兩土層交界面,為0.752 cm;斜坡式最大值在地表處,為1.78 cm,深度3 m 處的位移值為1.08 cm(見圖2)。
圖2 附加側(cè)向位移曲線圖Fig.2 Additional Lateral Displacement
總的來說,兩者地表沉降和側(cè)向位移值均較小,處理效果接近,采用直立式填筑能減少造價(jià)較高的輕質(zhì)填料用量,同時(shí)減少占地面積,有較明顯的經(jīng)濟(jì)性。
對填土高度分別為2 m、4 m、6 m 的工況進(jìn)行分析。
⑴沉降值隨填土高度增大而增大。在填高較小時(shí),最大沉降值增加較快。最大沉降值的位置隨填土高度增加而向路基外側(cè)移動(dòng),原因是填土越高,拓寬路堤的重心遠(yuǎn)離路基中心。差異沉降值則隨填土高度的增大而上下波動(dòng)(見圖3、圖4)。
圖3 不同填土高度地表處附加沉降曲線圖Fig.3 Additional Settlement at the Surface of Different Fill Heights
⑵側(cè)向位移值隨填土高度增大而增大。老路堤下的土體側(cè)向移動(dòng)方向隨著填土高度變化而出現(xiàn)差異。如填高2 m 時(shí),老路堤坡腳下的側(cè)向位移出現(xiàn)負(fù)值,這部分土體的位移是指向路基內(nèi)部的,究其原因,是因?yàn)椴煌奶钔粮叨认?,新路堤的形心位置的不同。從新老路堤處下地基的最大?cè)向位移與填土高度的關(guān)系圖可知,最大側(cè)向位移隨著填土高度變化,增速加快(見圖4、圖5)。
圖5 不同填土高度附加側(cè)向位移曲線圖Fig.5 Additional Lateral Displacement of Different Fill Heights
對軟土層厚度在8~24 m 之間變化進(jìn)行分析。
⑴沉降值隨軟土層厚增大而增大,但增速減小,即軟土層厚在較小值范圍增加時(shí),沉降值增加較快,究其原因是因?yàn)檩p質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小且隨深度增加而進(jìn)一步分散減小,地表處的沉降主要是淺層土體的固結(jié)沉降所產(chǎn)生的,深層土體的固結(jié)沉降較小,因此即使軟土層厚度增加較大而沉降值增幅相對較?。ㄒ妶D6、圖7)。
圖6 不同軟土層厚度地表處附加沉降曲線圖Fig.6 Additional Settlement at the Surface of Different Soft Soil Layer Thickness
圖7 地基變形與軟土層厚度的關(guān)系圖Fig.7 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Soft Soil Layer Thickness
圖8 為距離路堤中心線21 m 處地基沉降隨深度變化圖,兩點(diǎn)之間的橫坐標(biāo)的差值為該兩點(diǎn)間土層的沉降量,由圖8 中可以看出,大部分沉降都是在淺層土體中發(fā)生的。差異沉降隨軟土層厚度增加而減小,是因?yàn)殡S著軟土層厚度的增加,路基中心處的沉降值增長幅度較新路堤下的沉降增長幅度要大,因此兩者差值在縮小。
圖8 沉降隨深度變化Fig.8 Relationship of Settlement and Deepness between Ground
⑵側(cè)向位移值均隨軟土層厚度的增大而增大,隨著軟土層厚度的增加,最大側(cè)向位移值增速降低,即軟土層厚度在較小值范圍增加時(shí),位移值增加較快(見圖7、圖9)。
地表處的沉降不僅僅是軟土層的沉降變形,還包括了其他土層的沉降變形。地基處理中需考慮下臥層的土體性質(zhì)的影響。在本文的有限元分析中,下臥層(粗砂層)的土體本構(gòu)模型采用的是線彈性模型,因此通過改變土體的彈性模量,使其在20~35 MPa 之間變化,研究下臥層土體性質(zhì)對地基變形的影響。
圖9 不同軟土層厚度附加側(cè)向位移曲線圖Fig.9 Additional Lateral Displacement of Different Soft Soil Layer Thickness
計(jì)算結(jié)果表明下臥層土體參數(shù)的改變,對地表最大沉降及最大側(cè)向位移均影響較小。究其原因是因?yàn)檩p質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力很小且隨深度增加進(jìn)一步分散減小,傳遞到深部下臥層的附加應(yīng)力較小,下臥層變形量較小,下臥層土體性質(zhì)的變化對地基變形影響不大。黃琴龍等人[10]對EPS 輕質(zhì)填料進(jìn)行了理論分析和工程驗(yàn)證后得到的結(jié)論,從另一個(gè)側(cè)面證明了本文的分析結(jié)果,其結(jié)論是采用EPS 填筑拓寬路堤,對下臥層的影響深度要明顯淺于常規(guī)填土路堤(見圖10~圖12)。
圖10 不同土體彈性模量地表處附加沉降曲線圖Fig.10 Additional Settlement at the Surface of Different Soil Elastic Modulus
圖11 不同土體彈性模量附加側(cè)向位移曲線圖Fig.11 Additional Lateral Displacement of Different Soil Elastic Modulus
本文利用有限元方法,對路堤擴(kuò)建工程中采用輕質(zhì)填料的地基變形特性進(jìn)行計(jì)算分析,得出以下結(jié)論:
⑴直立式與斜坡式兩種斷面的填筑方式,處理效果接近,采用直立式有其顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
圖12 地基變形與下臥層彈性模量的關(guān)系圖Fig.12 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Elastic Modulus of Underlying Layer
⑵隨著填土高度增大,沉降與側(cè)向位移增大,最大沉降值增速減小,最大側(cè)向位移值增速增大。最大沉降值的位置隨填土高度增大而向路基外側(cè)移動(dòng)。
⑶隨著軟土層厚增大,沉降與側(cè)向位移增大,最大沉降值和最大側(cè)向位移值增速減小,其原因是輕質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小,且隨深度增加而分散減小,從而引起上部淺層土體發(fā)生較大的固結(jié)沉降和側(cè)向位移,下部深層的土體發(fā)生的固結(jié)沉降和側(cè)向位移較小。
⑷深部下臥層土體性質(zhì)變化,對地表最大沉降值及最大側(cè)向位移值均影響較小。究其原因是因?yàn)檩p質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力分散到下臥層的附加應(yīng)力很小,從而下臥層變形量很小。