碎石樁處治拓寬路基軟土地基的有限元分析

盧軍源 王偉 李盈燦

摘要：本文以有限元軟件ANSYS為工具，對采用碎石樁處治高速公路路基拓寬工程中的軟土地基，建立有限元分析計算模型，分析了采用該方法后路基拓寬工后高填方路基和地基的沉降特性。結果表明：新路基采用碎石樁復合地基處治能夠有效地減小路基差異沉降和側向位移，可為今后路基拓寬軟土地基處治提供理論依據。

關鍵詞：道路工程；路基拓寬；差異沉降；碎石樁；數值分析

中圖分類號：TU74文獻標識碼： A

0 引言

由于目前部分公路的規模無法滿足日益增長的交通需求，為了改善道路的服務質量，以及更好地為國家的經濟建設服務，必須對舊路進行拓寬工程以提高道路的通行能力，新舊路基拓寬工程中不良地基處理已經成為重要課題之一。賈喬寬[1]基于PLAXI從碎石樁作用機理和施工工藝出發，對軟土基和碎石樁地基進行數值分析，肯定了碎石樁的作用效果。本文利用有限元軟件ANSYS，建立某高速公路高填方路基拓寬模型，選取碎石樁處治軟土地基和無樁軟土地基兩種計算工況，進行沉降和側向位移分析。

1 本構模型

本文采用Drucke—Prager屈服準則的理想彈性模型，其模型采用廣義VonMises屈服準則，是對三相應力狀態的Mohr-Coulomb準則函數進行改進，使屈服面角隅圓滑而成為內切圓錐面的方便數值計算的屈服準則，屈服面如圖1所示，表達式如下：；式中，為材料常數；

；；；C， 分別為土的粘聚力和內摩擦角。

圖1 Drucker-prager模型本構模型的屈服面

2 工程及地質概況

某公路原為雙向四車道高速公路，設計速度120km/h，路基寬度28m；現今需進行改造，按雙向八車道高速公路進行改建，采用雙側加寬的整體式路基，寬度拓寬至42m；地處平原，地下水位較高，軟土地質，地層自上而下依次是：粉質黏土、淤泥土、碎石土，軟塑狀碎石黏土、基巖。

3 數值模擬分析

3.1 有限元計算基本假定

(1) 新舊路基和地基土體均采用D-P彈塑性本構模型,認為是均質、連續材料，各向異性彈塑性體；(2) 新舊路基路面拼接處和各個層面之間在沉降變形過程中不發生相對滑動與分離；(3) 計算模型為對稱結果，故以舊路基中心線為軸，取一半進行計算；(4) 認為新舊路基路面下的地基沉降已經穩定，新地基的彈性模量比舊地基的彈性模量小，并賦予其材料密度為0。

3.2 計算模型

圖2為有限元計算幾何模型。取舊路基寬度a=14m，新路基寬度b=7m，路基高度h=7.28m，路面結構厚度r=0.72m，新舊路基的邊坡坡度均為1：1.5，地基計算深度H=30m，從路基中心線向外側去計算寬度B=68.33m，樁徑為0.5m樁間距1.5m。新舊路基和路面、地基土、樁基、墊層均采用2D實體PLANE42單元模擬，土工格柵采用2D桿link11單元模擬，材料參數見表1路基拓寬和地基處理網格劃分如圖3；邊界條件取模型左側和右側施加X方向約束，下側施加Y方向約束，計算荷載為模型自重。對不進行地基處理和進行碎石樁處理兩種工況驚醒計算。

圖2 計算幾何模型尺寸圖 圖3 有限元網格劃分圖

表1數值模擬計算參數

材料 厚度

(長度)/m 密度（kg/m3） 彈性模型 Drucke—Prager模型

彈性模量

E（Mpa） 泊松比

μ 粘聚力

c（Kpa） 摩擦角

ψ

舊路面 0.72 - 1500 0.25 - -

新路面 0.72 1600 0.25 - -

舊路基 6.48 - 40 0.35 30 20

新-上路床 0.3 2000 100 0.35 - -

新-下路床 0.5 2000 80 0.35 - -

新路基 6.48 2000 30 0.35 30 20

CFG樁 6 2500 14000 0.2 - -

碎石墊層 0.3 1800 30 0.25 - -

土工格柵 - 2000 2000 0.15 - -

舊地基 30 - 16 0.30 25 20

新地基 30 - 12 0.30 25 20

3.3 計算結果分析

圖4 碎石樁處治下計算沉降云圖圖5 碎石樁處治下計算側向位移云圖

圖6 路基頂面沉降曲線圖 圖7 地基頂面沉降曲線

圖8 新路基邊坡側向位移曲線圖 圖9舊路基邊坡側向位移曲線圖

（1）路基和地基沉降分析

通過有限元軟件的計算，如圖4所示，新路基荷載作用下，對地基和舊路基產生的明顯的沉降，采用碎石樁處治軟土地基后，新路基下方的地基的沉降量得到了減少。從圖6和圖7分析得出，路基拓寬工程中，在沒有采取碎石樁進行地基處理時，路基頂面的最大沉降值為9.645cm和最大差異沉降值為5.9563cm；地基的最大沉降值為9.706cm和最大差異沉降為6.069cm；而采取碎石樁處治后，路基頂面的最大沉降值為8.476cm和最大差異沉降值為4.783cm，地基的最大沉降值為4.416cm。相對與無樁處治情況，采用碎石樁后，路基的最大差異沉降量減少了19.70%，地基的差異沉降量減少了27.24%，滿足設計中地基差異沉降限制5cm的要求。從圖6中曲線所示，路基頂面的沉降量從舊路基中心線至路肩處逐漸增大，而圖7中的曲線所示，地基的最大沉降量是發生在新舊路基拼接位置附近。

（2）新路基和舊路基側向位移分析

如圖5所示，路基拓寬工程中，由于地基差異沉降影響，新舊路基受到附加應力后，新路基和拼接段附近的舊路基大部分土體產生向邊坡方向位移，新路基邊坡處局部產生向舊路基方向位移，為了研究采用碎石樁處治軟土地基后對拓寬路基的穩定性影響，采集了新路基和舊路基邊坡的水平位移數據。如圖8和9所示，新路基邊坡在進行碎石樁處治軟土地基的情況下，坡面側向位移量比無地基處理情況的要小，另外，設置了碎石樁后還可以明顯減少舊路基坡面的側向位移量。因此，在采用碎石樁處治后，可有效約束新舊路基坡面的側向位移，從而減小由于側向變形而產生的路基差異沉降。

4 結語

碎石樁是以卵石、碎石和砂礫等材料制成的復合地基加固樁，其能提高軟土地基的承載能力，從而減小路基的差異沉降，確保路面結構的性能滿足要求?；趪鴥妊芯楷F狀，采用有限元軟件ANSYS建立模型對某高速路基拓寬工程進行數值模擬和分析，得出在碎石樁復合地基下，路基和地基的沉降量和差異沉降量得到減小，且新舊路基的最大差異沉降值為4.783cm小于限制5cm；另外，還起到了減小新舊路基邊坡側向位移的作用。

參考文獻

[1]賈喬寬.碎石樁處理軟土路基沉降的有限元分析[J].內蒙古公路與運輸,2014,04:42-44.

[2]張千管.碎石樁處理軟土路基的應用研究[D].長安大學,2012.

[3]藍冰.碎石樁處理飽和軟土地基的理論分析與工程研究[D].中南大學,2005.

[4]郭世情. 碎石樁處理軟土路基的工程應用及效果分析[J]. 中華建設,2011,03:118-119.

[5]王俊立.高填方路基拓寬工程差異沉降的數值分析[D].鄭州大學,2007.