軟基粉噴樁聯合塑料排水板處治模擬分析

張勁橋

（山西路橋第六工程有限公司，山西晉中 030600）

0 引言

為緩解交通壓力，提升運輸能力，近年來我國很多高速公路相繼開展改擴建項目。在路基改擴建施工過程中，施工會對新舊路基產生擾動[1]，在施工期間和工后產生不同程度的差異沉降，尤其是軟土地基路段沉降更為明顯。差異沉降會導致新舊路基產生縱向開裂[2]，因此必須采取措施對軟基進行有效加固。結合以往的公路改擴建項目軟土地基處治經驗[3-4]，對粉噴樁聯合塑料排水板軟基處治效果進行分析。利用有限元分析軟件建立數值模型，對公路軟基加寬路段的變形進行模擬分析，確定處治效果，可為一線施工提供參考。本文結合某高速公路改擴建工程軟基處治案例，利用有限元分析軟件建立粉噴樁聯合塑料排水板處治軟基數值模型，對新路基施工期間和完工后的變形進行模擬分析，確定路基加固方案的合理性。

1 高速公路單側加寬軟基加固方案

1.1 工程簡介

某高速公路路基原設計寬度為26 m，采用雙向四車道設計。近年來由于交通量迅速增加，日常運營過程中經常出現擁堵現象，擬開展改擴建工程。加寬后路基寬度為42 m，采用雙向八車道設計，根據道路沿線地形、地質情況調查結果，沿線采用雙側或單側加寬的方式。K26+315—K26+415 段作為試驗路段，該路段原路基高度為6 m，路基邊坡坡度為1∶1.5，地基土上部為淤泥質黏土，厚度為13 m，下部為密實砂土。該施工路段地下水埋深較淺，個別路段僅為1 m。

1.2 軟基粉噴樁聯合塑料排水板處治方案

由于單側加寬對路基沉降的影響更大，本文選單側加寬路段作為研究對象，采用粉噴樁聯合塑料排水板對軟基進行處治。路基拓寬路段軟土地基初步擬定3 種處治方案：方案一采用全幅塑料排水板處治；方案二采用粉噴樁聯合塑料排水板處治，其中粉噴樁靠近舊路基，塑料排水板靠近新路基邊坡，這種布置形式可降低施工對原路基的擾動。試驗路段粉噴樁設計樁長為14 m，穿過上部軟土并深入下部密實砂土層1 m；方案三為全幅粉噴樁處治。粉噴樁設計樁徑為0.5 m，樁間距為1.3 m，采用方形布置。塑料排水板尺寸為100 mm×4 mm，長度為14 m，穿過淤泥質黏土層，布置間距也為1.3 m，仍采用方形布置。新路基填筑施工前，在地基頂部鋪設0.5 m 厚砂墊層，一方面有利于路基橫向排水，另一方面可以協調樁土荷載。由于方案二與方案三模擬計算結果十分接近，因此本文取方案一和方案二計算結果進行研究。

2 有限元模型建立

利用有限元軟件建立有限元數值模型。模型建立過程中縱向取1.3 m 作為計算域，橫向寬度取200 m，淤泥質黏土層厚度為13 m，下部密實砂土層厚度取5 m，以合理確定模型邊界條件，降低影響。有限元模型建立過程中將所有土層看作Mohr-Coulomb 材料，粉噴樁模擬采用實體置換的方式，數值模擬計算過程中將粉噴樁視為理想線彈性體，粉噴樁與上下土層的界面強度系數取值為0.65，各土層與粉噴樁計算參數如表1所示。塑料排水板采用軟件內嵌的方式，在模型中置入“排水線”單元模擬，假定孔隙水壓力為零，粉噴樁聯合塑料排水板處治方案路基模型如圖1 所示。

圖1 路基模型示意圖（單位：m）

表1 各土層與粉噴樁計算參數

模型邊界條件為：左右兩側x方向位移約束，不排水；模型前后兩側y方向位移約束，不排水；模型底部各向位移均約束、排水；模型頂部自由，排水。

假定原路基是一次性修筑完成，建設時間為360 d，建成9 年后進行改擴建施工。按原路基參數計算初始應力，重置路基各向位移為零，以便于計算新路基施工過程中產生的位移。假設新建路基分6 層填筑，第1 層厚度為1 m，包括0.5 m 厚砂墊層和0.5 m 厚填土；第2層—第6 層單層厚度均為1 m，單層施工時間為30 d。新建路基填筑完成后，再次重置路基各向位移為零，以便于計算工后路基沉降。

3 新路基變形計算結果分析

3.1 新路基施工期間變形計算結果分析

3.1.1 路基豎向位移計算結果分析

對新路基下部地基一半寬度采用粉噴樁處理，靠近路基邊坡的一半地基采用塑料排水板進行處治，采用有限元軟件模擬計算路基填筑施工過程中的地基豎向位移，得出地基土體豎向位移變化曲線如圖2 所示。

圖2 路基填筑施工期間舊路基頂面豎向變形曲線

分析圖2 所示曲線變化趨勢，可以得出隨新路基填筑層數的增加，舊路基表面豎向位移也隨之增加，其中靠近舊路基左側路肩一側有向上的豎向位移，遠離左側路肩一側豎向位移方向向下，產生了一定幅度的沉降?？拷侣坊呐f路基頂面豎向沉降較大，距新路基較遠的舊路基頂面豎向位移較小，且存在豎向位移的方向也有所改變。通過對比分析，采用全幅塑料排水板處治的舊路基頂面豎向位移更大，這是由于粉噴樁靠近舊路基，起到了良好的過渡作用，大大降低了新路基施工過程中對舊路基的擾動，也減少了對路基豎向位移的影響范圍，因此應優先選用粉噴樁聯合塑料排水板處治方案。

為進一步研究新舊路基結合部位的沉降變形，取新舊路基中心線位置的沉降與新舊路基結合部位沉降的差值計算路基頂面橫坡，繪制新路基施工過程中路基橫坡變化曲線如圖3 所示。

圖3 新路基施工期間路基橫坡變化曲線

分析圖3 所示曲線變化趨勢，可以得出隨新路基填筑層數的增加，路基橫坡呈非線性增加。計算得出的采用粉噴樁聯合塑料排水板處治路基橫坡最大值為0.76%，而采用全幅塑料排水板處治路基橫坡度最大值為1.43%，說明產生的差異沉降更大，進一步說明了選用粉噴樁聯合塑料排水板處治方案更為合理。

3.1.2 土體水平位移計算結果分析

在新路基填筑施工期間，對新舊路基結合部位坡腳地基的水平位移進行計算，得出不同深度坡腳位移變化曲線如圖4 所示。

圖4 新舊路基結合位置坡腳地基水平位移變化曲線

分析圖4 所示曲線變化趨勢，可以得出上層淤泥質黏土層水平位移變化較大，而下層密實砂土層水平位移很小。隨著新路基填筑層數的增加，淤泥質黏土層最初水平位移變化方向是向舊路基一側，填筑第5遍和第6 遍水平位移方向轉向新路基一側。而全幅采用塑料排水板處治水平位移均向舊路基一側，且舊路基存在橫向變形的風險。因此，考慮到新路基施工后對舊路基的擾動影響，粉噴樁聯合塑料排水板處治方案更為合理。

3.2 新路基工后豎向位移預測結果分析

該高速公路設計使用壽命為15 年，根據上述模擬計算結果得出新路基工后前3 年路基豎向位移較大，按照上述變形規律通過有限元軟件對15 年內的路基豎向位移進行預測。本文取1 年、2 年、3 年、7 年和15年豎向位移計算結果作為研究對象，分析新路基工后豎向位移的變化規律。利用有限元軟件采用分步增量法對新路基各部位工后豎向位移進行計算，預測路基的變形情況（如圖5）。

圖5 新舊路基工后豎向位移變化曲線

分析圖5 新路基工后路基豎向位移預測結果，得出新舊路基結合部位附近豎向位移越來越大，且隨著距離的增加豎向位移減小。采用全幅塑料防水板處治方案新、舊路基豎向位移變化曲線大體呈“V”字形，豎向位移最大處出現在新舊路基結合位置。采用粉噴樁聯合塑料排水板處治方案豎向位移最大位置向左側路基移動，大概出現在距左側路肩23 m 位置，分析原因是采用粉噴樁進行加固，新舊路基結合位置路基穩定性提高。另外，采用全幅塑料防水板處治方案路基豎向位移最大值為56.24 mm，而采用粉噴樁聯合塑料排水板處治方案路基豎向位移最大值為33.67 mm，說明方案二較方案一可明顯降低工后沉降，提高路基的整體穩定性。

4 結論

為合理確定高速公路改擴建工程中軟基處治方案，以高速公路拓寬改造工程為案例背景，采用有限元軟件對采用不同軟基處治方案新舊路基施工期間和工后變形進行數值模擬分析，得出以下結論：

a）隨新路基填筑層數的增加舊路基頂面豎向位移也增加，且采用粉噴樁聯合塑料排水板方案較全幅塑料排水板方案所產生的豎向位移更小，新路基施工期間路基橫坡變化也較小，這是由于粉噴樁加固降低了路基施工對舊路基的擾動。

b）在淤泥質黏土層水平位移較大，密實砂土層水平位移很小，且采用全幅塑料排水板處治舊路基存在橫向變形風險，因此取粉噴樁聯合塑料排水板處治方案更為合理。

c）工后采用全幅塑料防水板處治方案路基豎向位移最大值為56.24 mm，出現在新舊路基結合位置，而采用粉噴樁聯合塑料排水板處治方案路基豎向位移最大值為33.67 mm，出現在距左側路肩約23 m 位置，進一步說明采用方案二更為合理，路基的整體穩定性更高。