反压护道+预应力管桩复合地基在软土地基中的应用.pdf

-52-反压护道+预应力管桩复合地基在软土地基中的应用周 杰，刘 博（湖南省官新高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙 410000）摘要：以湖南某高速公路某段下伏淤泥质粉质粘土层路基为依托，针对软基病害段提出反压护坡+预应力管桩的二次联合加固方案，通过数值模拟，揭示反压护道宽度和高度对路基安全系数及潜在破裂面的影响规律，比选得出合理的加固参数。关键词：软土地基；反压护道；预应力管桩中图分类号：U414 文献标识码：BApplication of back pressure berm and pipe pile composite foundation in soft soil foundationZHOU Jie,LIU Bo（Hunan Guanxin Expressway Construction and Development Co.,Ltd.,Hunan Changsha 410000 China）Abstract:Based on the silty silty clay subgrade underlying a section of an expressway in Hunan province,this paper proposes a secondary joint reinforcement scheme of reverse pressure slope protection+prestressed pipe pile for the damaged section of soft foundation.Through numerical simulation,the influence law of the width and height of the reverse pressure protection on the safety factor and potential fracture surface of the subgrade is revealed,and reasonable reinforcement parameters are obtained by comparison.Key words:soft soil foundation;back pressure berm;prestressed pipe pile引言高速公路建设工程中时常会遇到路基下伏软土地层的情况，在上覆荷载作用下可能诱发路基产生不均匀沉降、路基开裂、路基失稳破坏等病害，影响道路结构的安全性。目前常见的软土路基加固技术包含表层处理技术、换填技术、水泥搅拌桩技术、强夯法、反压护道等1-5，其中反压护道凭借经济、易施工的特点被广泛使用。国内学者对其做了诸多研究，表明仅采用反压护道时，对路基承载力的提升有限。当其不能满足软土路基加固要求时，可采取先加固反压护道下方土体、再采用反压护道的联合加固方案。目前联合加固方案中反压护道宽度及高度对路基整体安全系数的影响规律、合理的反压护道宽度及高度选取尚不可知。以某高速公路为依托工程，针对建设过程中出现的填方侧移、路基顶部开裂、地表隆起等软基病害，综合考虑工期、成本、地形条件等因素，提出反压护道+预应力管桩的二次联合加固方案，并通过数值模拟手段，分析采用预应力管桩加固下反压护道高度、宽度对路基安全系数的影响规律，通过比选得到适用于该工程的合理加固参数。1 工程概况1.1 地质概况该段路基右幅局部存在软弱土，分布范围长 280 m，层厚最大处达 5.2 m。该段为斜坡路段，设计以填方为主，中线填土高度为 3.412.2 m，右侧填土高度 12.517.8 m。该段地势南高北低，线路南侧为由花岗岩组成的剥蚀残丘，北侧为山间冲沟低洼积水稻田区。区域内地层主要包括人工填筑土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、砂质黏性土、全风化花岗岩。1.2 软基病害及原因分析依托工程设计地基加固方案为抛石挤淤。在路基填方施工中，线路右幅填方路基出现了横向侧移、路基顶面局部出现纵向裂缝，路基底部外侧水田表层出现起拱、开裂等异常现象，见图 1。收稿日期：2022-09-06作者简介：周杰（1987），男，湖南岳阳人，工程师。2023 年第 3 期山东交通科技-53-结合工程实际分析，通过对病害段地层进行加密勘探结果显示，软土层实际厚度较初次勘探预测值更大，抛石挤淤方案设计处理深度未贯穿软土层，导致处理后的地基强度难以满足路基填筑荷载要求，同时施工填筑时间过短、施工过快，导致土体沉降时间太短，软弱土未能充分得到压缩，上覆土荷载作用下出现地基不均匀沉降和侧向挤压起拱等路基病害。1 195.254设计线边坡现状线1 1.5K25+690（a）路基侧移（b）地表隆起图 1 路基病害1.3 二次加固方案鉴于现场已出现路基侧移、开裂等病害，并考虑路面正常使用对路基长期变形收敛值需求，需对路基进行二次加固处理。该段软土路段填方施工接近完工，按照卸载路基加固填方施工工序将延缓完工工期，且部分填方路基下方为陡坡，不宜使用桩基础。施工现场填方下土体存在沿滑动面滑移趋势，路基土体稳定性极差，仅在侧方使用预应力管桩加固对路基整体承载力提升效果有限，仅反压堆载易导致土体滑移面扩大，造成路基整体失稳。基于对成本、工期、场地条件等因素综合考虑，最终采取反压护道+预应力管桩联合加固方式整治病害段，方案见图 2。地面线填土反压护道管桩1 1.51 1.512 m图 2 反压护道+预应力管桩联合加固方案反压护道的高度以及宽度根据数值模拟结果确定，管桩加固范围为反压护道堆载范围内土体，管桩长 14 m，管径 400 mm，壁厚 95 mm，为降低挤土效应，桩间距为 2 m，呈矩形布置。2 数值模拟2.1 数值模型采用 FLAC3D 有限差分软件分析计算，选取软土地基病害最严重处进行计算，该段路基填方最大深度为 12 m，考虑模型计算的边界问题，选取模型宽度为 90 m，深度为强风化花岗岩以下 11 m，地表按设计图纸给出地面线建立。模型中土体为弹塑性模型，服从摩尔库伦强度准则，管桩采用结构单元模拟。模型采用强度折减法计算安全系数。具体模型见图 3。淤泥质黏土粉质黏土强风化花岗岩路基填方反压护道图 3 模型示意预应力管桩为简化计算，将较薄土层并入性能相近的厚土层中，最终模型中存在 4 类土体，土层和管桩物理力学参数见表 1。表 1 模型参数表材料重度/（kNm-3）压缩模量/MPa泊松比黏聚力/kPa摩擦角/（）淤泥 质黏土1 85040.4119.5粉质 黏土1 92050.42317.0强风化花岗岩2 2002000.320035.0填筑土1 85050.41015.0管桩2 2502 5500.2-2.2 计算结果2.2.1 边坡宽度考虑到路基为二次加固，同时参考类似工程，将路基安全系数控制值适当提高为 1.25。利用数值模拟得到不同高度反压护道安全系数随宽度变化曲线，见图 4，在一定范围内增加反压护道宽度可以增加路基安全系数，当其宽度超过一定值后，增加宽度，安全系数增加有限。因此选取满足安全系数控制值的最小宽度 11 m 作为反压护道设计宽度。安全系数护道高 H=2 m护道高 H=4 m护道高 H=6 m护道高 H=8 m护道高 H=10 m安全系数控制值1.41.31.21.11.0护道宽度/m0 3 6 9 12 15图 4 安全系数随护道宽度变化曲线以反压护道高为 8 m 为例，通过计算模拟结果见图 5。周 杰，刘 博：压护道+预应力管桩复合地基在软土地基中的应用-54-FLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration ModelFactor of SafetyValue=1.21contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie Averaging2.038 0E+002.000 0E+001.800 0E+001.600 0E+001.400 0E+001.200 0E+001.000 0E+008.000 0E-016.000 0E-014.000 0E-012.000 0E-011.253 5E-04（a）宽度 7 mFactor of SafetyValue=1.25contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model2.142 5E+002.000 0E+001.800 0E+001.600 0E+001.400 0E+001.200 0E+001.000 0E+008.000 0E-016.000 0E-014.000 0E-012.000 0E-011.289 0E-04（b）宽度 9 mFactor of SafetyValue=1.28contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model2.100 7E+002.000 0E+001.800 0E+001.600 0E+001.400 0E+001.200 0E+001.000 0E+008.000 0E-016.000 0E-014.000 0E-012.000 0E-011.329 3E-04（c）宽度 11 mFactor of SafetyValue=1.32contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model3.116 9E+003.000 0E+002.750 0E+002.500 0E+002.250 0E+002.000 0E+001.750 0E+001.500 0E+001.250 0E+001.000 0E+007.500 0E-015.000 0E-012.500 0E-011.410 3E-04（d）宽度 13 mFactor of SafetyValue=1.32contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model1.541 9E-041.500 0E-041.400 0E-041.300 0E-041.200 0E-041.100 0E-041.000 0E-049.000 0E-058.000 0E-057.000 0E-056.000 0E-055.000 0E-054.000 0E-053.000 0E-052.000 0E-051.000 0E-051.289 0E-12（e）宽度 15 m图 5 不同反压护道宽度的潜在破裂面反压护道宽度较小时，潜在破裂面左端点位于道路填方顶端，右端点位于反压护道坡坡脚，破裂面位于软土、填方路基和反压护道三者之间。随着反压护道宽度增加，潜在破裂面向右侧扩展，地基承载力也随其面积增加而增加。当护道宽度达到 13 m 时，潜在破裂面左端点开始转向护道边坡顶部，此时破裂面存在于反压护道和软土之间，此后随着护道宽度增加，破裂面左端点随之向右移动，其安全系数未增长。2.2.2 边坡高度增加反压护道高度一方面可增加地基承载力，另一方面其作为堆载也会使路基上方荷载增加，因此选择合理的反压护道高度，既可使路基安全系数达到要求，又可节约成本、缩短工期。相关研究表明，对于填方路基，反压护道高度在宜取路堤高度的 1/31/2，然而，本工程中地表具有一定坡度，路堤易向单侧变形，且对反压护道下方土体采用了管桩加固，通过数值模拟，计算得到不同宽度下反压护道高度与路基安全系数的关系，见图 6。护道高度/m护道宽 7 m护道宽 9 m护道宽 11 m护道宽 13 m护道宽 15 m安全系数1.401.351.301.251.201.151.101.052 4 6 8 10图 6 安全系数随护道高度变化曲线由图 6 可以看出，护道高度 6 m（约路堤高1/2）时，路基安全系数随护道高度增加而增加，护道高度 6 m 时，路基安全系数随护道高度增加而减小，但是在护道高度为4 8 m（路堤高的1/3 2/3）时，路基安全系数变化并不明显。从经济性及施工上考虑，选取护道高度为 4 m 最为合理。利用剪切应变反映路基潜在破裂面随护道高度变化规律，见图 7。当护道高度小于 1/2 堤高时，潜在破裂面的形状几乎不随护道高度增加而改变，当超过1/2堤高后，潜在破裂面左端点逐渐向右侧移动，尤其当其高度超过 2/3 堤高后，潜在破裂面面积大大减小，路基安全系数明显降低。2023 年第 3 期山东交通科技-55-Factor of SafetyValue=1.14contour of Max,Shear Strain RateCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model3.361 6E-043.250 0E-043.000 0E-042.750 0E-042.500 0E-042.250 0E-042.000 0E-041.750 0E-041.500 0E-041.250 0E-041.000 0E-047.500 0E-055.000 0E-052.500 0E-055.211 4E-11（a）高度 2 mFactor of SafetyValue=1.20contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model2.918 0E+002.750 0E+002.500 0E+002.250 0E+002.000 0E+001.750 0E+001.500 0E+001.250 0E+001.000 0E+007.500 0E-015.000 0E-012.500 0E-011.148 0E-04（b）高度 4 mFactor of SafetyValue=1.21contour of Max,Shear Strain RateCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model1.692 3E-041.600 0E-041.500 0E-041.400 0E-041.300 0E-041.200 0E-041.100 0E-041.000 0E-049.000 0E-058.000 0E-057.000 0E-056.000 0E-055.000 0E-054.000 0E-053.000 0E-052.000 0E-051.000 0E-053.449 3E-12（c）高度 6 mFactor of SafetyValue=1.21contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model2.380 0E+002.000 0E+001.800 0E+001.600 0E+001.400 0E+001.200 0E+001.000 0E+008.000 0E-016.000 0E-014.000 0E-012.000 0E-011.253 5E-04（d）高度 8 mFactor of SafetyValue=1.15contour of Max,Shear Strain IncrementCalclated by:Volumetrie AveragingFLAC3D5.012014 ltasca Consulting Group,lnc.Demonstration Model2.481 9E+002.400 0E+002.200 0E+002.000 0E+001.800 0E+001.600 0E+001.400 0E+001.200 0E+001.000 0E+008.000 0E-016.000 0E-014.000 0E-012.000 0E-011.284 0E-04（e）高度 10 m图 7 不同反压护道高度的潜在破裂面综上分析，满足安全系数控制值得基础下，加固方案中反压护道坡的最优宽度与高度分别为 11 m和 4 m。3 路基长期变形监测在路基顶面以及边坡顶部各选取 3 个测点，实测车辆荷载下路基的长期沉降以及水平位移量。监测点具体位置见图 8。1-1K25+7002-1K25+7102-1K25+7451-22-23-2Y（N）X（E）防撞栏顶部边坡顶部1 级边坡坡脚图 8 位移监测点布设3.1 路基水平位移图 9 给出了路基填方完成后边坡顶部各测点水平位移随时间变化曲线。1-2 2-2 3-235302520151050-5水平位移量/mm50 100 150 200 图 9 边坡测点水平位移曲线时间/d从图 9 可知，边坡累计最大水平位移量为 30 mm，日位移量最大速率为 0.8 mm/d。当填方完成 110 d 后，路基日水平位移速率趋于平缓，以测点 2-2 为例，此时路基沉降量已达 23 mm，日沉降量约为 0.23 mm/d。截至监测完成，3个测点处水平位移量分别为26 mm、28 mm、30 mm，此时路基水平位移量基本已稳定，三个测点间最大水平位移差为 4 mm，表明路基未产生不均匀水平位移。3.2 路基沉降监测记录防撞栏中部测点处竖向沉降值随时间变化曲线，见图 10。根据现场监测数据，填方完成后顶面竖向沉降最大为 42 mm，日沉降最大速率为0.52 mm/d，且与水平位移量相同。110 d 后路基沉降速率开始变缓，到最终监测完成时，各测点的最终沉降量分别为 35 mm、38 mm、42 mm，且连续两个月内最大月沉降增量仅为 2 mm，未超过公路路基 （下转第 63 页）2023 年第 3 期山东交通科技-63-由表 6 可知，各检测指标较好满足设计及规范7要求，具有良好的透水性能及施工质量。4.3 经济效益分析该工程采用 4 cm 厚排水沥青路面后，所需沥青混合料为每公里 880 m2（行车道宽度为 22 m），约2 096.2 t。每公里掺入 0.4%聚丙烯纤维所需费用见表 7。表 7 每公里排水沥青混合料所需纤维费用纤维类型材料单价/（元t-1）每公里单价/（万元km-1）聚丙烯纤维8 8007.13由表 7 可知，在修建初期，聚丙烯纤维透水路面的修建成本有一定提升，但长远来看，其较好的路用性能可以减少养护成本，具有一定的经济效益。5 结语选用聚丙烯纤维作为 PAC-13 排水沥青混合料的增强稳定剂，综合室内及工程应用得到结论：（1）聚丙烯纤维对排水沥青混合料的高温稳定性、抗疲劳性能及低温抗裂性能改善效果显著。（2）在水稳定性方面，聚丙烯纤维对排水沥青混合料的改善效果不明显。（3）建议排水沥青混合料中，聚丙烯纤维的最佳掺入量取 0.4%。（4）工程应用表明：掺入一定量聚丙烯纤维后，排水沥青混合料具有良好的透水性能及路用性能，具有较好的发展前景。参考文献：1 田华.纤维增强沥青混合料马歇尔稳定度及劈裂试验研究J.山西交通科技,2010（6）:9-12.2 赵德慧.纤维稳定剂在排水沥青路面中的应用简介J.交通科技,2015（3）:156-158.3 张争奇,胡长顺.纤维加强沥青混凝土几个问题的研究和探讨J.长安大学学报（自然科学版）,2004,20（1）:1-3.4 蒋玮.透水性沥青路面混合料配合比设计方法与路用性能研究D.西安:长安大学,2008.5 中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面施工技术规范:JTG F402004S.北京:人民交通出版社,2005.6 中华人民共和国交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程:JTG E202011S.北京:人民交通出版社,2011.7 中华人民共和国交通运输部.公路路基路面现场测试规程:JTG 34502019 S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2019.（上接第 55 页）设计规范（JTG D302015）中规定的 5 mm，可判断此时路基固结已基本完成。相邻测点间最大沉降发生于 2-1 与 3-1 之间，最大沉降差异为 4 mm，两测点间相距 26 m，表明路基未发生不均匀沉降。1-1 2-1 3-150 100 150 200 沉降值/mm0-10-20-30-40-50图 10 路基沉降曲线时间/d4 结语利用数值模拟对反压护道+预应力管桩联合加固方案进行研究，分析出反压护道的宽度变化及高度变化与路基安全系数变化之间的规律，从而得出反压护道宽度选择 11 m，高度选择 4 m（即 1/3 堤高）时,该加固方案既能满足路基安全系数要求，又能最大限度地节约成本、缩短工期。通过对该方案下路基的长期变形监测显示路基沉降值最终收敛，且未超过相关规定限值，验证了反压护道+预应力管桩二次联合加固方案对处置软基病害的有效性，可为类似病害治理提供参考。参考文献：1 李占.道路施工建设中的软基加固关键技术研究J.交通世界,2021（25）:137-138.2 温宇轩,贺九平.水泥搅拌桩在软土路基施工中的应用研究J.灾害学,2019,34（S1）:236-242.3 袁海平,韩治勇,石贤增,等.强夯法在皖江软土路基处理中的应用J .施工技术,2016,45（11）:50-54.4 郑莉婵,石海洋,师启龙.陀螺桩结合排水固结法在软土路基工程中的应用研究J.公路,2021,66（6）:63-67.5 杜毅.碎石桩处理软土路基变形影响因素分析J.公路工程,2019,44（4）:213-216,290.