高速公路路基加宽桩网复合处理技术原理分析与数值模拟

薛建荣，杨春景

(黄河水利职业技术学院，河南 开封 475001)

进入21世纪以后，我国经济的迅猛发展对高速公路的运输能力提出了更高的要求，原有部分路段已不能满足交通发展的需要，由此也拉开了高速公路改扩建工程的序幕[1]。高速公路扩建工程的关键问题是减小新老路基的沉降差异，保证新老路堤的拼接质量，提高新老路堤的结合强度和整体稳定性。采用“水平向加筋+竖向增强体”的桩网复合地基处理技术可解决高速公路改扩建工程的关键问题。

1 应用原理及方法

“水平向加筋+竖向增强体”的桩网复合结构是由桩(预应力管桩、CFG桩等)、桩帽、加筋垫层(加筋垫层是在砂或碎石垫层中加铺一层土工合成材料)以及桩间土构成的复合地基系统，形成桩网垫层复合柔性基础，如图1。桩作用是竖向加强，减小路堤的竖向沉降,特别是路面的不均匀沉降,加筋垫层起到横向加强的作用，减小路基水平变形,同时,有效地分散路基填土荷载，通过改变垫层的厚度和模量, 可以调节桩之间的应力比。

图1 高强度预应力管桩软基处理方式Fig.1 Processing mode of soft foundation with high strength pre-stress force tubular pile

桩网复合处理技术主要作用机理包括桩身的挤密效应、桩间土拱效应和加筋垫层均化应力效应、群桩效应4个方面[2-3]。一方面，采用静压预应力管桩技术，并引入桩土相互作用理论，形成竖向增强体复合地基，充分发挥桩与土之间的协调能力和管桩的单桩高承载力，较好的控制了地基变形，保证了路基整体的稳定性，桩顶的桩帽，均化桩顶应力，有效的减小了桩顶对路堤的刺入破坏；另一方面，采用复合加筋垫层，在桩帽的顶部加铺一层碎石垫层(30～40 cm)，在碎石垫层中增设一层土工格栅，提高了碎石垫层的整体刚度，形成桩网垫层复合地基。土工合成材料的加筋作用约束土体的侧向变形，增加了土体的抗剪强度，而桩土组成的复合地基在加筋垫层的作用下充分发挥桩间土的承载潜力，使上部荷载通过加筋垫层在桩土上发生应力重分布，进而减少路堤的不均匀沉降。

“水平向加筋+竖向增强体”桩网复合地基处理技术也是以控制工后沉降为首要目标，要求绝大部分沉降在施工期完成，严格控制工后沉降量，发挥桩、网、土 这3 者协同作用。因此，要求加宽部分施工时除采用台阶连接，保证必要的搭接长度外，加宽路基填料的物理力学特性要与老路基填料相近。填筑路堤除要采用分层填筑、分层压实、保证最佳含水率等措施，还要严格控制新老路基结合带的压实, 对新老路基结合带使用大型压路机械压实。在路槽纵向铺设跨施工缝的土工格栅，基底开始铺设一层土工格栅，以后每个台阶顶面均铺设一层土工格栅，加强新老路基的横向联系，使新老路基能完全形成一个整体结构。垫层加土工合成材料使垫层刚度作用加大，增加了由土到桩的荷载传递，减少了桩间土的不均匀沉降。因此管桩可布置疏桩，一定程度上降低工程建设成本，加快工程进度，提高经济效益。

2 工程地质概况

根据连霍高速公路郑州段改扩建工程《岩土工程勘察报告》[4]可知，该工程场地地形平坦，地貌单元属黄河泛滥冲洪积平原。根据勘探结果，将勘探深度内地层分为5层，主要由黄河泛滥冲洪积(Q4al+pl)形成的粉土、粉质黏土及砂层组成，各土层情况及其勘探范围内各层土(由上到下)物理力学指标如表1[5-6]。

表1 勘探范围内各层土物理力学指标

3 数值模拟

3.1 基本假定

在有限元法分析时，做了如下假设[7]：

1)路堤是足够长的，按平面应变问题来处理；

2)路堤填土和地基土的本构关系采用Mohr- Coulomb理想弹性模型；

3)复合地基桩体采用一维梁单元模拟，其材料为线弹性；

4)地基土中考虑老路堤土体的固结，固结理论采用Biot固结理论；

5)界面单元采用Goodman单元，竖向刚度和切线刚度系数均为定值；

6)采用初始应力状态和逐级加载技术模拟老路路基的先期固结和扩建路堤的位移。

3.2 模型的建立与网格划分

根据土体本身自重和车辆荷载的影响范围，取路基计算深度17.5 m，宽度45 m。在有限元软件中建立几何模型，如图2。

图2 模型的几何图型Fig.2 Geometrical model

根据结构对称性，取其1/2进行模拟计算。路基有限元网格划分，如图3。

图3 路基有限元网格划分模型Fig.3 Plotting in bed model by finite element grids

模型单元网格划分采用4节点的四边形单元。网格的密度对计算结果的精度有很大的影响，网格划分的越密，越接近于真实的情况，但是网格划分的越密，求解所需的时间越长，因此要选取一个合适的密度，建模时在远离加宽路基部分以较疏的网格划分模型来计算，在加宽部分和桩体部分加密网格，以更好地反映这些复杂区域的受力情况。模型主要是土体和混凝土两种材料，模型划分以后分别针对各层土体和混凝土管桩定义各自的单元类型、单元实常数、材料属性等。

3.3 材料计算参数

本工程路堤填料选用合适的填料或与老路堤相同的填料或石灰改良土等，为保证新老路堤之间的紧密衔接，提高路堤的强度和整体性，增强其抗变形能力，加宽施工过程中需要适当选择填料的粒径，严格控制甚至适当提高新路堤填料的压实度，填料性质指标如表2。

表2 加宽新路堤填料性质指标

地基处理使用预应力混凝土管桩，直径300～500 mm，长度11～15 m，结合部桩按纵向线形布置，底部桩按等边三角形布置，间距采用疏化桩距(间距为6倍桩径)。桩帽混凝土强度为C 25，垫层材料为碎石垫层，厚0.6 m，褥垫层中铺一层双向拉伸土工格栅。

土工格栅采用双向焊接聚酯或聚乙烯土工格栅，纵、横向极限抗拉强度≥80 kN/m，纵、横向标称抗拉强度下的伸长率≤13%，纵、横向5%延伸率时的拉伸力≥55 kN/m，最小焊接点的抗剥离强度≮100 N，光老化等级为IV级。

3.4 条件分析

模型左右边界为竖向自由和水平约束，下边界为竖向和水平均约束。在新老路堤结合处和管桩与土体之间施加接触分析，更好模拟彼此之间相互作用。为使问题简化，取单桩结构处理单元进行分析,如图4。

图4 桩土接触应力分析Fig.4 Contact stress analysis of pile-soil

分析桩和土之间对上部荷载的分担，在桩顶平面处，桩顶均布荷载σp，桩间土均布荷载σs；桩底平面处，桩端均布荷载σpk，桩间土均布荷载σsk。同时引入桩土相互作用理论[8]：①疏桩与桩间土体为弹性体；②同一水平面，桩间土应力相等，桩和土只发生一维压缩；③桩侧摩阻力、桩端阻力的变化符合理想弹塑性模型。模型计算时需要分析考虑桩土之间的非线性接触的问题以及桩的复杂边界约束条件。

3.5 荷载的施加

作用于路基的荷载主要有土体的自重及路面的交通荷载两种。交通荷载作用下路基路面动力响应较为复杂。为简化计算过程，在道路结构的传统设计中，通常采用作用于路表的等效均布荷载来替代交通荷载的作用效应。根据JTG D 60—2004《公路桥涵设计通用规范》，该工程有限元计算中将车辆荷载等效为10 kN/m静载。

3.6 计算求解

通过有限元软件对模型进行最后的处理，得出计算结果如图5～图8。

图5 路基的竖向位移Fig.5 Vertical displacement in roadbed

图6 路基的竖向位移等值线Fig.6 Isoline chart for vertical displacement in roadbed

由图6可以看出老路基已经固结，位移变形主要发生在新路基上。在处理之前最大竖向位移为0.2 m左右，经过预应力混凝土管桩网复合地基处理之后竖向位移0.02 m左右，使新老路堤结合处沉降相差更小，满足工程结构的要求。

图7 路基的竖向应力Fig.7 Vertical stress in roadbed

图8 路基的竖向应力等值线Fig.8 Isoline chart for vertical stress in roadbed

软土路基在老路堤荷载作用下，主固结基本完成，沉降趋于稳定。但新路堤直接拼宽到老路后，软土地基应力将发生变化。从图8可以看出，最大应力值为0.42 MPa，主要集中在老路堤坡脚附近。在处理之后土层中应力明显减小，老路堤坡脚处明显减小。应力集中在管桩附近，最大为1.5 MPa，分担了土体所承受的荷载，使土体内应力减小。

图9是路基施工完成后2个月新老路堤变形的实测位移曲线。在车辆荷载作用下，沉降2个月后路基变形基本稳定，沉降主要发生在新填土路基下，最大沉降在距路中20 m，最大沉降量为20 mm。老路面沉降在老路肩处沉降最大，路中最小，说明处理后拓宽路堤软土地基的效果良好，可以达到减少新老路基差异沉降的目的。路堤水平位移均较小，最大为11 mm，说明处理后很好地限制路堤填土的水平位移，稳定性提高。

图9 新老路堤位移曲线Fig.9 Displacement curve for old and new embankment

4 结 论

1)处理后的路基整体性好，路基抵抗不均匀变形(沉降)的能力强，地基差异沉降在传递到路基顶部的过程中被更大范围的竖向预应力管桩分担，新老路基竖向沉降差得到显著减小。

2)基于土工格栅与填土之间的相互作用机理，土工格栅应用于新老路基结合部可以提高拼接路基的整体性，改善结合部应力特性，主要是可有效减小侧向位移，在一定程度上减小新老路基的差异沉降。

3)对于改扩建工程施工采用水平向加筋+竖向增强体的桩网复合地基处理技术，其质量可靠，处理深度大，施工快捷，沉降小，对老路干扰小，但是虽然采用疏桩法，在一定程度上缓解造价高的问题，相比其他处理技术措施还是造价相对较高。

4)应用有限元软件对桩网复合地基处理技术的沉降研究分析，有些方面还是在理想状态下进行，与实际相差较大，应该进一步改进，例如充分考虑桩间土的相互作用，以及在循环荷载作用下，复合地基产生的动力响应、附加沉降及土工格栅产生的蠕变。

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