基于有限元法的公路软土路基加固处理及沉降分析.pdf

总660期2023年第30期（10月 下）0 引言传统的公路软土路基沉降计算一般选择分层总和法，其计算条件过于简化，难以反映项目的实际情况。随着有限元理论的进步，越来越多的学者开始通过数值软件来分析软土路基沉降和加固效果，但是并未形成统一的规范或标准来指导软土路基加固设计1，导致部分加固方案不合理或不经济。因此，基于有限元法进一步研究公路软土路基加固方法及沉降具有重要价值。1 软土路基工程特性及加固方法1.1 软土路基工程特性目前针对软土路基的划分并无统一标准，不同规范对软土的定义也不相同。比如岩土工程勘察规范（GB500212009）用天然含水量、孔隙比判定软土；公路路基设计规范（JTG D302015），下简称 规范）以天然含水量、孔隙比、内摩擦角、压缩系数、内摩擦角、剪切强度判定软土。无论采用哪种判定方法，都不能忽略软土的工程特性2：渗透性差。软土透水能力差，渗透系数在110-5110-6cm/s，且在土体内部表现出各向异性；可压缩性高。软土孔隙比大、可压缩性高，在相同车辆荷载作用下，路基容易产生较大工后沉降；抗剪强度低。由于软土含水量高，其黏聚力和内摩擦角偏低，在车辆荷载作用下，边坡容易发生剪切破坏而失稳。1.2 软土路基加固方法1）加固目标公路软土路基加固的目标是控制路基的工后沉降，以免路基因沉降过大导致边坡失稳、滑塌、路面开裂、沉陷等病害。由规范可知，软土路基工后沉降最大值取决于公路等级、路基所在路段。对于高速公路、一级公路，一般路段、箱涵、箱通、通道处、桥台与路基相邻处的工后沉降最大值分别为30、20、10 cm；对于作为干线的二级公路，一般路段、箱涵、箱通、通道处、桥台与路基相邻处的工后沉降最大值分别是50、30、20 cm。2）加固方法在确定公路软土路基加固方法前，应详细勘查沿线工程地质条件，并获取重度、压缩模量、孔隙比等物理力学参数，作为软土路基沉降验算的依据。同时，尽量选择施工工艺成熟、施工方法简单、对周边环境影响小的加固方法。大量工程实践表明，公路软土路基常用加固方法可分为浅层加固和深层加固两大类，具体适用条件见表13：表1 公路软基加固方法划分软土加固技术浅层软基处理深层软基处理换填垫层法抛石挤淤法强夯水泥搅拌桩预应力混凝土管桩CFG桩适用条件/m软土厚度3软土厚度57含水量高的深厚软土2 软土路基沉降加固方案初步比选2.1 工程概况研究高速公路建设标准双向四车道，设计速度为100 km/h，设计荷载为公路 I 级，设计洪水频率为 1/100，路线全长 56.5 km，路线起讫桩号为 K0+000K56+500，路基标准横断面宽度为 25 m，路面总厚度92 cm。根据施工图地勘资料可知，桩号 K15+800收稿日期：2023-02-08作者简介：张建（1991），男，吉林长春人，工程师，从事路基路面设计工作。基于有限元法的公路软土路基加固处理及沉降分析张建1,2（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；2.中咨华科交通建设技术有限公司，北京 100195）摘要：为提升公路路基设计水平，归纳了软基工程特性和常用加固方法，并依托某高速公路软基工程，利用有限元软件PLAXIS建立计算模型，对水泥搅拌桩、CFG桩、预应力混凝土后等加固方案进行技术性和经济性比选。同时，探讨了软土路基工后沉降随CFG桩桩间距和桩长的变化规律，研究成果可为公路软土路基设计提供科学的理论指导。关键词：有限元；软土路基；工后沉降；优化设计中图分类号：U416.1文献标识码：B104交通世界TRANSPOWORLDK16+300段路基穿过淤泥质土（埋深在3.56.3 m）。软土计算断面选择K16+000（桥台与路基相邻处），其中心填高为6.0m，边坡坡率11.5，路基填料为级配良好的砂砾土，基底从上地基土从上到下分别为杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土。2.2 初步拟定加固方案K16+000断面处的淤泥质粉质黏土埋深较大，不宜使用换填垫层法、抛石挤淤法等浅层加固措施。同时，利用式（1）预估了强夯法的有效加固深度 d，仅为6.0m，无法完全消除软土层对路基沉降的影响。d=mh（1）式（1）中：为修正系数，根据土体类型选择；m为夯锤质量；h为夯锤落距。最终，拟使用桩-土复合地基来处治该项目的软基。为保障软土路基加固方案的合理性和可行性，从技术性和经济性两方面对比了水泥搅拌桩、CFG桩、预应力混凝土管桩。其中水泥搅拌桩选用粉喷桩，桩径0.5 m，桩长10 m，桩间距1.2 m；CFG桩桩径取0.5 m，桩间距1.5 m；预应力混凝土管桩桩径0.5 m，桩长10 m，桩间距2.2 m。布桩形式均为三角形。2.3 加固方案综合比选1）有限元模型建立本构关系：路基和软土地基均为三相物质，以受压为主，抗拉强度可忽略，故选用 PLAXIS 软件中的Drucker-Prager屈服准则（简称DP准则），其表达式见式（2）（4）：F=I-J+K=0（2）I=1+2+3（3）J=16(1-2)2+(1-3)2+(2-3)2（4）式（2）（4）中：、K均为材料常数；1为最大主应力；2为中间主应力；3为最小主应力。边界条件：公路软土路基的边界条件与实际情况一致才能保证计算结果的准确，故将模型的左边界和右边界在X方向设置水平约束；下边界在X、Y、Z三个方向完全约束；路基顶面设置自由边界4。网格划分：路基和地基土采用solid实体单元模拟，桩体采用杆单元模拟（通过给杆单元赋予不同的参数分别模拟水泥搅拌桩、CFG桩、预应力混凝土管桩）。一般情况下，有限元模型的网格尺寸越小，计算结果越精确，但计算速度也更慢。本文采用四面体单元划分软土路基模型，网格尺寸取1.0 m，最终划分了1 025个单元，1 133个节点，见图1：计算参数：路基计算参数取值参考地勘报告，如下：路堤重度20.0 kN/m3、黏聚力22 kPa、内摩擦角 25、弹性模量 2.2 MPa、泊松比0.30；杂填土重度15.8kN/m3、黏聚力5kPa、内摩擦角15、弹性模量4.5MPa、泊松比0.35；淤泥质粉质黏土重度18.8 kN/m3、黏聚力15 kPa、内摩擦角20、弹性模量6.6 MPa、泊松比0.30；粉质黏土重度19.3 kN/m3、黏聚力26 kPa、内摩擦角28、弹性模量20 MPa、泊松比0.25。荷载施加：软土路基施工荷载模拟可采用PLAXIS软件中的“生（alive）”与“死（kill）”单元，即多次杀死、激活路基实体单元来实现路基分层施工。需注意，每层填土建立要建立两个固结分析步，一个模拟路堤固结，一个模拟软土地基固结5。2）加固方案技术性比选利用PLAXIS软件分别计算了软土路基经水泥搅拌桩、CFG桩、管桩加固后的工后沉降，计算结果如图2所示：图2 软基加固前后工后沉降最大值图2计算结果表明：软土路基未处理前，其工后沉降高达 26.9 mm，不满足 公路路基设计规范（JTGD302015）。经桩土复合地基加固后，软基工后沉降有大幅下降。水泥搅拌桩、CFG桩、预应力混凝土管桩加固后的软土路基工后沉降分别为 9.8、6.6、5.3 cm，减少幅度分别为63.6%、75.5%、80.3%。从技术角度来看，预应力混凝土管桩的加固效果最好，CFG桩次之，水泥搅拌桩最差。3）加固方案经济性比选假设需加固的软土路基段落长100 m，不同软土路基加固方案的费用见表2：从经济性角度分析，水泥搅拌桩加固软土路基价格最低，预应力混凝土加固软土路基价格最高。经综合比选，预应力混凝土管桩和CFG桩对软土路基的加固效果相差不大，但是 CFG 桩价格更便宜。同时，水泥搅拌桩的施工质量不易控制，其加固效果最差。因此，建议采用CFG桩来处理软土路基。图1 软土路基计算模型示意105总660期2023年第30期（10月 下）3 软土路基沉降加固方案优化设计3.1 CFG桩桩长优化在其他计算参数不变的条件下，利用PLAXIS软件计算了CFG桩桩长为8、9、10、11、12 m时，软土路基的工后沉降，计算结果如图3所示：图3 不同CFG桩桩长下软土路基沉降由图3可知：在CFG桩间距和直径一样的情况下，软土路基工后沉降随CFG桩桩长的增加而减小，但减小速率不固定。当CFG桩桩长不大于9 m，软土路基工后沉降骤降；当CFG桩桩长大于9 m，软土路基工后沉降随桩长的变化趋势不明显。CFG 桩桩长 8 m 提高至12 m，桩长每增加1 m，抗滑桩最大水平位移分别减少3.0、0.6、0.3、0.1 cm。表明CFG桩越长，对软土路基的加固效果越好，但桩长超过某一临界值，继续增加桩长对软土路基沉降的降低效果不明显。因此，该项目CFG桩长最优桩长可取9 m，相对于原设计方案减小了1 m，每100 m节约工程造价2.85万元。3.2 CFG桩桩间距优化为确定合理的CFG桩间距，通过PLAXIS软件计算了桩间距为1.2、1.5、1.8、2.0 m时，软土路基的工后沉降，计算结果见图4：由图4可知：随着CFG桩桩间距的增加，软土路基工后沉降不断增大，且桩间距与路基工程沉降基本呈线性正相关关系。桩间距为1.2、1.5、1.8、2.0 m时，计算出软土路基工后沉降分别为 5.5、6.1、6.6、7.2 cm。CFG桩桩间距每增加0.2 m，软土路基工后沉降平均增加0.6 cm。随后，使用数理统计软件origin中的线性方程拟合了CFG桩桩间距与软土路基工后沉降的关系，拟合方程为y=1.95x+3.2（y是工后沉降、x是桩间距），相关系数接近1，计算精确度满足工程需求6，可利用拟合公式预测软土路基在任意桩间距下的工后沉降。4 结论本文研究了软土路基常用加固方法适用特点，依托某高速公路填方路堤，以工后沉降为控制指标来探讨软土路基加固方案优化设计方法，得到了以下结论：软土路基有渗透系数小、可压缩性高、抗剪强度低等缺点，其加固方法可分为浅层加固与深层加固两类；从技术角度来看，管桩对公路软土路基工后沉降的降低幅度最大，CFG桩次之。从经济性而言，水泥搅拌桩价格最低；软土路基加固方案在选择时应进行技术和经济两方面的综合比选；软土路基工后沉降随桩长的增加而增加，随桩间距的增大而减小，在设计期间应根据地勘资料验算优化。参考文献：1 徐礼华.公路软土路基处理粉喷桩加固技术的应用分析J.运输经理世界，2022（36）：7-9.2 蔺媛媛.公路软土路基就地固化设计方案与处理效果分析J.交通世界，2022（27）：133-135.3 武燕飞.关于高速公路软土路基加宽工程施工技术J.交通建设与管理，2022（4）：116-117.4 戚志博.公路软土路基的沉降分析及加固处理J.福建建材，2021（12）：1-4，10.5 赵雄飞.软土地区公路路基设计及地基处理技术研究J.工程技术研究，2021，6（23）：173-176.6 唐予.公路软土路基沉降规律及施工控制J.广东公路交通，2021，47（5）：22-25，32.表2 地基处理方案经济对比处理方案水泥搅拌桩挤密碎石桩预应力混凝土管桩等效圆直径/m1.051.2=1.261.051.5=1.581.052.2=2.31基底处理宽度/m25+61.52=43工程量/根3 4802 1951 028每延米费用/元75120250费用/万元26.128.530.8图4 不同CFG桩桩间距下软土路基沉降106