軟土地基高速公路拼接拓寬段沉降變形規(guī)律的研究

軟土地基高速公路拼接拓寬段沉降變形規(guī)律的研究

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些道路運(yùn)輸能力不足，面臨著重建問(wèn)題?，F(xiàn)有道路的兩側(cè)擴(kuò)建往往是首選的解決方案。但由此也帶來(lái)了技術(shù)上的難題,拼接荷載的作用下,新老路間將產(chǎn)生不均勻沉降,如處理不當(dāng),極易導(dǎo)致老路基產(chǎn)生縱向裂縫。因此對(duì)拼接路基進(jìn)行合理的沉降分析就顯得非常重要。在高速公路的拼接工程中,新老路基的施工時(shí)間間隔一般較長(zhǎng),甚至達(dá)10幾年,在拼接荷載的作用下,其固結(jié)變形規(guī)律與原來(lái)存在較大差異,特別是采用對(duì)地基擾動(dòng)較大的處理方法時(shí)。根據(jù)已有的工程實(shí)踐,拼接工程在不同工況條件其沉降變形規(guī)律是不同的,因此采取的沉降分析方法亦不同。1橫斷面沉降變化高速公路經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng),地基的固結(jié)已基本完成,若在兩側(cè)進(jìn)行拼接拓寬,新拼接拓寬的路堤自重將對(duì)原路基中心以偏心荷載的形式作用于老路基,產(chǎn)生新的附加不均勻沉降增量,其大小與作用距離和拼接拓寬荷載有關(guān)。當(dāng)?shù)谈咭欢〞r(shí),則隨著拼接寬度的增加,附加不均勻沉降增量逐漸增大,拓寬寬度到達(dá)一定值(30m)時(shí),超過(guò)部分對(duì)老路將不再影響。若兩側(cè)對(duì)稱(chēng)拓寬,對(duì)原路基中心而言,所引發(fā)的沉降增量,呈反盆形分布,在中心最小,兩側(cè)拓寬形成的斷面形心垂線(xiàn)靠?jī)?nèi)側(cè)處為最大,而在形心垂線(xiàn)位置至加寬后的新堤腳間逐漸減小,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)橫斷面沉降變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。由圖可見(jiàn),新老路基的拼接將會(huì)在新、老路肩與原路基中心間產(chǎn)生差異沉降,沉降表現(xiàn)為拼接形心處的沉降為最大的反盆形分布,如處理不當(dāng)極易導(dǎo)致對(duì)原路基路面的拉裂。若原路基的地質(zhì)條件差,沉降還未穩(wěn)定,在拼接施工中若對(duì)原路地基產(chǎn)生擾動(dòng),則原地基將發(fā)生擾動(dòng)再固結(jié),其差異沉降更加明顯,此時(shí)拼接路段沉降沿橫斷面的變形規(guī)律為原路中間大,兩側(cè)小的正盆形分布,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況見(jiàn)圖2。1.1地基承載力及固結(jié)變形原路沉降變形已經(jīng)穩(wěn)定主要是指原地基在原壓荷載的作用下,地基的固結(jié)變形已經(jīng)完成,即地基不再發(fā)生固結(jié)變形和殘余沉降。此時(shí)新老路基間的差異沉降主要是由于拼接荷載所引起的。原路堤和地基土之間形成了一個(gè)整體,可近似為一剛體。由于原路堤地基的沉降已經(jīng)穩(wěn)定,因此在計(jì)算時(shí)可以忽略原地基側(cè)向變形的影響,此時(shí)若直接在路堤兩側(cè)進(jìn)行拼接土方填筑,地基土的固結(jié)變形可認(rèn)為是原荷載固結(jié)變形的延續(xù),可近似采用分層總和法計(jì)算。S=∑i=1naV1+e1ΔpHi(1)S=∑i=1naV1+e1ΔpΗi(1)式中:aV為土體的壓縮系數(shù),MPa-1,它表示單位壓力增量所引起的孔隙比改變,即壓縮曲線(xiàn)割線(xiàn)斜率來(lái)表征土的壓縮性高低;e1為土體的初始孔隙比;Δp為壓力增量,kPa,一般以附加應(yīng)力表示;H為土層的厚度,m。在進(jìn)行具體計(jì)算時(shí),可采用e-p曲線(xiàn)法,為了考慮土體的超固結(jié)特性,可以采用e-lgp曲線(xiàn)法進(jìn)行沉降計(jì)算。計(jì)算的沉降應(yīng)滿(mǎn)足S<[S]。1.2原路殘余沉降分析該工況地基在原壓荷載的作用下,地基土仍有殘余沉降,同時(shí)伴有側(cè)向變形,在拼接荷載的作用下,亦存在側(cè)向變形,這使得地基土的變形表現(xiàn)為明顯的空間性,即存在豎向壓縮變形和水平向的位移。此時(shí)對(duì)原路的殘余沉降分析顯得非常重要,它是合理選擇新拼接地基處理方法,控制新老路基間差異沉降的重要依據(jù)。根據(jù)已有的觀測(cè)成果,原路殘余沉降可通過(guò)合理選擇推算方法來(lái)較準(zhǔn)確地確定,為合理選擇地基處理方法提供依據(jù),另外通過(guò)計(jì)算確定最終沉降量。具體計(jì)算時(shí),根據(jù)原路的實(shí)際加載歷時(shí)進(jìn)行沉降固結(jié)計(jì)算,在計(jì)算過(guò)程中,可根據(jù)實(shí)測(cè)資料,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,或通過(guò)沉降的反演分析方法,反演出原地基的綜合地質(zhì)參數(shù),以使沉降計(jì)算更加符合實(shí)際。1.3固結(jié)和變形計(jì)算該工況地基將產(chǎn)生明顯的側(cè)向變形,應(yīng)按可反映側(cè)向變形的二維理論進(jìn)行沉降和固結(jié)變形計(jì)算,計(jì)算方法可采用有限單元法,考慮原路與新拼路基的施工時(shí)間間隔較長(zhǎng),固結(jié)計(jì)算采用比奧固結(jié)理論。將路堤和地基作為整體劃分網(wǎng)格,取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的孔隙水壓力和豎向與水平向的位移為基本位置量,在路堤重量作用下,根據(jù)土體的勁度和滲透性建立聯(lián)立方程組,從而解得孔壓和位移。對(duì)土體的固結(jié),采用理論上比較完善的比奧固結(jié)理論。2工程實(shí)例分析2.1樁身高度50.32m的預(yù)應(yīng)力管樁樁滬寧高速公路拓寬工程昆山試驗(yàn)段屬河湖或海相沉積平原,地下水位位于地面以下2.0m左右,與河水相通。該段總體以軟弱粘性土為主,表層為3m左右硬殼層,3～14.5m范圍內(nèi)為孔隙比1.182,壓縮系數(shù)0.94的淤泥質(zhì)土;中間夾1.5m的硬塑狀粘土;下層為厚19m、平均孔隙比為1.113、壓縮系數(shù)為0.69的淤泥質(zhì)亞粘土;下面為土質(zhì)較好的粘土層。采用預(yù)應(yīng)力管樁處理地基,根據(jù)軟土深度,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為35m,間距為2.5～3.0m。為了充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力管樁強(qiáng)度高的特點(diǎn),在樁的頂部設(shè)置一個(gè)1.5m×1.5m×0.3m的樁帽,并在其上設(shè)置40cm的碎石墊層,以調(diào)節(jié)樁土荷載分擔(dān)比,保證樁土變形協(xié)調(diào)。為了研究軟土地基在拼接荷載作用下的變形規(guī)律,在試驗(yàn)段選取K0+710斷面進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn),因此在分析時(shí)主要以該斷面為主。2.2不同工況下變形規(guī)律的分析為了對(duì)拼接路段沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析,以滬寧高速公路拓寬工程昆山試驗(yàn)段為例,采用有限單元法對(duì)其中2種工況條件下的變形規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算斷面分別為K0+710和K0+380斷面。并與復(fù)合地基沉降計(jì)算方法的復(fù)合模量法算得的成果進(jìn)行了分析對(duì)比,由于預(yù)應(yīng)力管樁的剛度很大,因此忽略了加固區(qū)的壓縮量。2.2.1特色管樁的設(shè)計(jì)根據(jù)路堤的對(duì)稱(chēng)性,取整個(gè)路堤寬度的一半進(jìn)行計(jì)算,有限元計(jì)算網(wǎng)格統(tǒng)一采用四邊形單元。為計(jì)算方便,在計(jì)算時(shí)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理:①將預(yù)應(yīng)力管樁圓形截面根據(jù)面積等效為正方形截面;②在有限元計(jì)算時(shí)近似認(rèn)為管樁是實(shí)心的;③在墊層中加鋪鋼筋網(wǎng)后,墊層的整體剛度提高,為了考慮其影響,通過(guò)提高墊層的剛度來(lái)實(shí)現(xiàn),即調(diào)整K值的大小;④地基左右兩側(cè)邊界限制水平位移,下邊界同時(shí)限制水平位移和豎向位移;⑤路面結(jié)構(gòu)層按1m高等效填土荷載考慮。采用分離式分析方法,界面單元采用古德曼單元。2.2.2原路地的沉降特性(1)由于K0+710為錘擊樁施工,因此在計(jì)算時(shí)考慮沉樁引起的超孔隙水壓力對(duì)地基的擾動(dòng)和原路荷載對(duì)地基再固結(jié)變形的影響,沉降隨路堤橫斷面的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。(2)K0+380斷面為沒(méi)有樁帽的段落,同時(shí)該段落采用慢速靜壓法沉樁,因此對(duì)地基的擾動(dòng)相對(duì)較小,為了分析其沉降變形規(guī)律,對(duì)該斷面也進(jìn)行了有限元分析,在計(jì)算過(guò)程中未考慮原路堤荷載對(duì)沉降的影響,見(jiàn)圖4。從圖4中可見(jiàn):(1)在拼接拓寬后,一般情況下沉降最大位置出現(xiàn)在拼接拓寬斷面的形心位置,與實(shí)際觀測(cè)和理論分析是一致的。(2)若原路地基在沉樁過(guò)程中受到較大程度的擾動(dòng),產(chǎn)生一定的超孔隙水壓力和水平位移,使得原地基在原壓荷載的作用下發(fā)生再固結(jié),引起一定的附加沉降增量;同時(shí)與在拼接荷載的作用下所引起的附加沉降增量疊加,導(dǎo)致了原路中心的沉降量大于拼接拓寬部分的沉降量,此時(shí)橫斷面沉降變化曲線(xiàn)并不表現(xiàn)為反盆形,而出現(xiàn)了正盆形分布規(guī)律,圖2與圖3說(shuō)明了這一點(diǎn)。原路地基在原壓荷載作用下的再固結(jié)變形具有明顯的二維性質(zhì),因而必須采用二維有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算方能符合實(shí)際情況。(3)由于施工對(duì)原路地基擾動(dòng)小,原路地基的沉降主要是由于拼接荷載所引起的,拼接拓寬后的沉降規(guī)律則表現(xiàn)為反盆形分布,在原路穩(wěn)定的條件下,拼接荷載引起的沉降大小及分布可不考慮原路荷載對(duì)沉降計(jì)算的影響,近似按一維的復(fù)合模量法估算,如圖1與圖4所示。3沉降變形分析(1)在拼接路堤的沉降變形分析中,應(yīng)根據(jù)不同的工況條件進(jìn)行分析,對(duì)于