（岩土工程专业论文）佛开高速公路复合地基法拓宽软基路堤沉降分析.pdf

摘要 摘要 软土地基上高速公路拓宽工程是高速公路建设的新阶段，将是我国公路建设 必须解决的重要问题。由于新老路堤施工的时间差异，导致新老路基产生明显的 差异沉降，进而使结合部路面产生裂缝，降低行车舒适性。因此，控制差异沉降 是保证高速公路拓宽工程质量，确保行车安全的关键。复合地基作为一种常见的 地基处理方式在软土分布区得到广泛的应用，本文在前人工作的基础上，通过大 量数值模拟分析，对复合地基方法拓宽高速公路沉降变形性状和影响因素进行了 系统的研究。论文主要内容如下： ( 1 ) 以在建工程为背景，针对拓宽工程软土和复合地基桩体进行室内试验 研究，取得相关地层资料和桩体参数，经过分析整理确定了数值模拟分析所需要 的基本参数。 ( 2 ) 利用弹塑性平面有限元分析方法，对常规复合地基方案进行了地层条 件和设计参数的影响分析，得到了控制路堤拓宽沉降和差异沉降的敏感性要素， 提出了常规复合地基法拓宽软基路堤的优化方法。 ( 3 ) 对软基路堤拓宽隔离墙方案进行了对比分析，指出了隔离墙+ 柔性桩复 合地基方案在技术上的可行性和造价上的合理性。 ( 4 ) 对复合地基法拓宽路堤时采用的土工格栅的作用进行了分析，给出了 最佳布设方案。 ( 5 ) 对长短桩复合地基方案进行了分析，根据长短桩复合地基的作用机理， 指出了长短桩复合地基方案拓宽软基路堤工程的优越性。 关键词：高速公路拓宽、差异沉降、复合地基、隔离墙、长短桩、路堤加筋 a b s t r a c t ，n l e 埘d e i l i n go fe x p r e s s w a yo ns o rg r o u n di sac h a l l e n g ei nt h ec o r l s 仃u c t i o no f e x p r e s s w a ya j l di ti sak e yp r o b l e mw h i c hs h o u l db es o l v e du 玛e n t l ya tt h eb e g i r m i n g o f2lt hc e n t u 叫i nc h i n a t h ed i 虢r e 】吐i a ls e t t l e m e n tb e t w e e n 吐l en e wa j l do l d e m b a i 【l ( 1 n e n t ，c a u s i l l gb y t 1 1 ed i f r e r e n tt i m eo fc o n s t m c t i n g ，i n d u c e sp a v e i n e n t c r a c l ( i n ga n dr e d u c et r a v e lc o m f 0 i r t n ek e yt oe n s u r ee n g i n e e r i n gq u a l i t ) ，a i l dt r a m c s a f b 够i st oc o n t r o lm ed i f r e r e n t i a ls e t t l e m e n tb e t w e e nt l l en e wa n do l de m b a nk m e n t a sac o m m o nf o u n d a t i o nt r e a t m e n t ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s w i d e l ya p p l i e di n s o r s o i la f e a b a s e do nt h el a b o r a t o 巧t e s t i n gr e s u l t so ft h i st h e s i sa n dt h em l m e r i c a l m o d e l i n gc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h ed e f o 肌a t i o nf e a t u r e so ft l l ef o u n d a t i o nw i t h c o m p o s i t e f o u n d a t i o nm e t h o da r e s t u d i e d ，甜l dt h e i n n u e n t i a lf i a c t o r so ft h e d e f o r i l l a t i o nf e a t u r e sa r ea n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do n ac o n s 仇j c t i n gw i d e n i n ge x p r e s s w a 弘t h el a b o r a t o 巧t e s t sf o rm es o r s o i la n dt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o np i l e sa r ec o m p l e t e d t 王l r o u g ht h et e s t 搿s u l t s ，t h e m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h es o rs o i la n dm ep i l e sa r eo b t a i n e df o rt h en m n e r i c a l m o d e l i n gc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ( 2 ) w i t ht h eu s eo fe l a s t i c p l a s t i cp l a n es t r a i nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h e i n n u e n t i a lf a c t o r so fn l es e t t l e m e n to fc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r ea 1 1 a l y z e di nt h et 、v o a s p e c t s ：m 帆r a lf o u n d a t i o na n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h es e l l s i t i v i 够o fm e s ef a c t o r s i sd i s c u s s e df o rc o n t r o l i n gs e t t l e m e n ta i l dd i 航r e n t i a ls e t t l e m e n t i na d d i t i o n ，m e o p t i m i z a t i o nm e m o di sp u tf o n ) l ，卸r df o rt h ee x p r e s s w a yw i d e n i n gw i hm ec o m p o s i t e f i o u n d a t i o nm e l o d ( 3 ) i no r d e rt of i n dt h eb e s tm e t h o dt or e d u c ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ，a c o m p a r a t i v ec a l c u l a t i o na i l da i l a l y s i sa r ec a m e do u tu n d e rm ec o n d i t i o no fs e p a r a t i o n w a n i n d i v i d u a l ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dt h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 晰t hs e p a r a t i n g w a l l t l l r o u g h l ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h es u p e r i o r i t ) ，o ft h ec o m p o s i t ef o 姗d a t i o nw i t h s e p a r a t i n gw a l lm e t h o de m e 唱e s ( 4 ) a tt h es 锄et i m e ，a na n a l y s i so fg e o g r i dr e i n f o r c e m e n te m b 幽e n ta l o n g m ej o i n ta r e ab e “旧e nt h en e wa n do l de m b a m ( 1 n e n t si sm a d e ，w i t ht h ec h 锄g eo ft h e l o c a t i o n s ，n u m b e r sa 1 1 de l a s t i cm o d u l u so f r e i n f o r c e m e n t t l l r o u 曲t h ea j l a l y s i sr e s u l t s ， t h eb e s tl o c a t i o i l sa n dn u m b e r so ft h er e i 疵r c e m e n ta r ec o n f i r n l e d b y t h e c o m p 撕s o i l so fa n a l y s i sr e s u l 氇t h er o l e so ft h ef o u n d t i o nt r e a t m e n t s s u c ha l s s e p a r a t i o n w a ua 1 1 dr e i n f o r c e m e n t p a v e r n e m a r ea n a l y z e db e s i d e c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ( 5 ) 1 1 d u 曲t l ：i ee 毹c to ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o no fd i 觑ml e n g t hp i l e s ，锄 a 1 1 a l y s i so ft h ei i l n u e n t i a l f a c t o r st ot l ed i 虢r e n t i a ls e t t l e m e n to fc o m p o s i t e f o u n d a t i o n 、v i t hl o n g s h o r cp i l e si sm a d e t h eb e s tt r e a t l i l e n t sa b o u tt h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t hl o n g s h o r r tp i l e s ，c o n s i d e r i n gb o t ho fe f f e c t 锄de c o n o m y ，h a sb e e n o b t a i n e d 妇o u 曲t h ec o m p 撕s o n s 1 1 1 es u p e r i o r i t ) ，o ft l l ec o n l p o s i t ef o u i l d a t i o nw i t l l l o n g - s h o np i l e sm e t l l o di ne x p r e s s 、v a yw i d e l l i n ge m e r g e s k e yw b r d s ： w i d e n i n go fe x p r e s s w a y ； d i n e r e n t i a ls e t t l e m e n t ； c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ；s e p a r a t i o nw a l l ；l o n g s h o r tp i l e sf o u n d t i o n ；r e i o r c e m e n te m b 幽e n t 1 i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不 包含为获得河海大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：僻 学位论文使用授权说明 签字日期：渺淬 粉喷桩复合地基法 隔离墙法 排水预压法【5 引。 1 3 4 拓宽工程沉降控制标准研究 表1 4 为国内部分高速公路加宽扩建工程沉降控制标准，由于缺乏统一的规 范规定，因此不同工程之间的沉降控制标准相差较大。最新的公路路堤设计规 范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 也只是简单规定：路堤拼接时，应控制新老路堤之间的 差异沉降，原有路堤与拓宽路堤的路拱横坡度的工后增大值不应大于0 5 。 张嘉凡假设路面各结构层在交通荷载和自重作用下随之下沉，层间不会出现 脱空现象，沥青面层、基层和底基层间为连续接触条件，按平面应变问题以解析 解的表达方式分析了不均匀沉降对路面结构附加应力的影响，认为当不均匀沉降 超过2 c m ，即坡2 吖3 7 5 6 2 ) = 0 3 5 时，半刚性基层底面就会产生拉裂破坏例。 何兆益在上述假设基础上，采用平面应变8 节点等参单元分析了不同均匀沉降时 的路面响应，提出了软土地基不均匀沉降的容许值为5 5 c m ，容许沉降坡差为0 4 1 5 0 j 。沈大高速公路拼宽工程路基加宽技术研究课题组提出了新加宽路基工后 沉降量不大于8 c m 的控制标准【5 1 j 。河海大学( 2 0 0 3 ) 在沪宁高速公路拼宽工程 试验段地基处理中期报告中指出：拼接路基施工后，原高速公路路基中心与新路 1 2 第一章绪论 肩的横坡度增大值应小于0 5 ，与原公路横坡相比不得出现反坡，拼接路基施 工后老路中心处附加沉降量应小于3 c m 【52 。章定文从路面结构功能性要求和结构 性要求二方面着手，分析得到软基高速公路扩建工程的容许差异沉降为o 4 【4 2 j 。 张军辉j 也从路面的结构性要求和功能性要求出发，对加宽工程的沉降控制标 准进行了类似的分析研究。刘汉清等假设老路堤不发生沉降变形，同时假定新路 堤沉降量横向服从二次曲线分布，运用平面应变有限元方法分析了不同沉降量对 路面结构的影响，并提出了老路拓宽不均匀沉降容许值【47 1 。高翔采用平面应变 有限元方法，计算得到路堤表面沉降变形，从而减小了用理想曲线拟合沉降变形 带来的误差，并考虑新老路面结构材料的差异，比较细致地分析了不均匀沉降对 路面结构的影响，同时结合路面功能性要求，对新老路堤的工后不均匀沉降控制 标准以及新路堤的工后沉降量控制标准进行了比较全面的分析评价，最终建议软 土地基上高速公路加宽扩建工程沉降控制标准为：新老路堤工后横坡比的增加率 不应大于0 5 ，单侧加宽宽度大于2 车道时，新路堤不应出现反坡；加宽路堤 的总沉降量应满足新老路面施工及运营过程中的结构性能要求，对于两侧加宽2 车道的扩建工程，加宽新路堤的总沉降量不应大于1 6 c m ；加宽新路堤的工后沉 降量不应大于1 0 c m 【引。 表1 4我国主要几条高速公路拼宽工程沉降控制标准 加宽工程名称沉降控制标准 j 佛高速公路 新路堤的t 后沉降小于l0 c m 沈大高速公路新路堤工后沉降小- 丁1 2 c m ( 最初为8 c m ) 新路堤工后沉降桥头段小于5 c m ，一般路段小于1 5 c m ，横坡比的改 沪杭甬高速公路 变小于0 5 沪宁高速公路新路堤总沉降小于1 5 c m ，工后沉降小于5 c m ，路拱横坡不出现反坡 河海大学硕士学位论文 1 4 存在的问题和本文的研究工作 1 4 1 存在的问题 从以上分析中可以看出，现在国内外对于高速公路拓宽工程的研究认识更多 是在对工程实践水平上，设计大多还在遵循普通新建路堤一样的设计和施工方 法，很多都是经验性方法，存在一定的盲目性。虽然前人研究取得了一定的进展， 但系统的理论分析研究还存在不足，通过对上述问题思考，认为存在的一些问题 具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 对拓宽工程的各种处理方法，单独考虑可以得出各自处理的效果，但 是对于一个复杂的工程来说，忽略了这些处理方法共同作用时的相互影响。 ( 2 ) 老路沉降已经基本稳定，而新路填筑后将对新老路基产生附加应力以 及附加沉降，这些应力应变关系特性、荷载传递规律等都有待于进一步研究。 ( 3 ) 施工期的填筑速率和动态控制标准、新老路基的工后沉降值控制标准 和容许差异沉降值控制标准的等这些方面都还没有统一的认识，需要进一步研 究。 1 4 2 本文的研究工作 软土地基上高速公路拓宽工程是高速公路建设的新阶段，针对复合地基方法 拓宽高速公路，本文做了如下工作： ( 1 ) 以在建工程为背景，选取断面进行室内试验研究，取得相关地层资料 作为数值计算的准备。 ( 2 ) 以所选断面建立p l a x i s 计算模型，对比分析天然地基拓宽和复合地 基方法拓宽的变形性状，把握复合地基拓宽的沉降和侧向位移规律，在此基础上 从地层方面和复合地基处理方面研究复合地基沉降变形的影响因素。 ( 3 ) 研究与复合地基配合处理的其他方法所起的作用，对比分析隔离墙单 独使用、复合地基处理以及隔离墙联合复合地基处理三种情况对控制差异沉降的 效果；研究加筋位置、层数和筋材模量对差异沉降的影响，确定最佳加筋位置和 加筋层数。 ( 4 ) 通过分析长短桩复合地基中长桩和短桩的配合使用的效果，研究了深 厚软基中长短桩复合地基拓宽差异沉降的影响因素，通过比较选择处理效果和经 济性兼顾的长短桩组合。 1 4 第二章土体物理力学性质试验研究 第二章土体物理力学性质试验研究 软土地基上高速公路的拓宽是一个复杂的问题，在其沉降分析中，不仅要考 虑新路堤的沉降问题，还要考虑拓宽路堤对老路堤沉降的影响问题。拓宽之后， 由于新老路堤的差异沉降，新老路面交接的部分容易出现裂缝，因此控制新老路 堤的沉降，尤其是差异沉降，是高速公路拓宽工程成败的关键。 本文围绕拓宽工程中控制沉降和新老路基差异沉降的关键问题，通过对各类 影响因素的分析，从而控制主要的敏感因素，达到控制差异沉降和节约建设成本 的目的。本文将重点研究复合地基拓宽高速公路的变形规律以及对变形性状和大 小起决定作用的影响因素。 ( 1 ) 将天然地基无处理条件下拓宽变形性状与复合地基处理拓宽变形性状 作对比，突出复合地基处理的明显效果。 ( 2 ) 在复合地基处理的前提下，从地层刚度与复合地基处理两方面对变形 影响因素进行分析，同时研究了隔离墙与加筋两种辅助处理措施在复合地基处理 中所起作用。 ( 3 ) 针对以上所研究的复合地基中对变形影响相对明显的因素，提出了使 用长短桩复合地基拓宽的思路，并对该方法的处理效果进行初步的研究。 本文依托于广东省交通科技重点项目佛开高速公路拓宽工程，编号2 0 0 5 0 2 ， 所进行研究的相关地层参数来源于该工程，通过室内试验与原位试验获得。 2 1 试验概况 佛开k 4 + o o o k 3 0 + 1 5 0 地处冲积平原，该区软土沿线广泛分布且厚度很大， 局部缺失，多呈灰色、深灰色，含腐殖质、贝壳及夹粉细砂薄层，从取得的地质 资料分析，沿线软土分布缺乏规律性，平原区发育两层软土，尤其以第一层为主， 长约1 4 7 公里，厚度变化较大，其厚度范围0 8 2 5 0 5 m ，第一层软土顶部的覆 盖层主要有人工填土、亚粘土等，下卧层多为亚粘土、砂性土，及岩石风化层。 第二层软土长约4 1 公里，埋藏较深，厚度变化较大，其厚度范围0 9 1 5 1 m 。 通过比选，试验段为d k 2 9 + 0 7 9 7 d k 2 9 + 3 9 3 段，全长313 3 m 。 试验分析主要针对淤泥、淤泥质粉砂土和水泥搅拌桩进行。对 d k 2 9 + 0 0 d k 2 9 + 1 2 5 段地基土进行了物理力学特性试样研究，试验内容包括物 理性试验( 含水率、密度、液塑限、比重) 以及强度变形研究，对淤泥、淤泥质 粉砂两种土样进行了三轴试验和压缩( 固结) 试验，同时进行了水泥搅拌桩无侧 限压缩和强度的试验。从而可得到两种土样和搅拌桩的变形参数和强度指标，为 河海大学硕士学位论文 后面章节的有限元分析提供参数。 2 2 室内试验 本文软土采用软土模型，对于软土模型，有7 个参数：土的容重y ( 包括湿 容重“和干容重) ，渗透系数后( 包括水平渗透系数t 和垂直渗透系数七。) ， 变形参数包括修正压缩指数五+ 和修正膨胀指数盯，土的凝聚力c ，摩擦角够和剪 胀角y ；其它土体采用m o n c o u l o m b 模型，变形参数为变形模量与泊松比u ， 其余参数与软土模型致。 土体容重通过物理性试验获得，渗透系数可以通过固结试验成果计算得到， 变形参数由压缩试验得到，而强度参数通过三轴固结排水剪切试验获得。 2 2 1 试验用土的选取及其基本特性 选取k 2 9 + 1 0 0 l 和k 2 9 + 2 0 r 两个断面，主要针对淤泥和淤泥质粉砂土进行试 验分析。 2 2 2 物理性试验 物理性试验依据中华人民共和国土工试验方法标准( g b t 1 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 测定，采用方法为：含水率用烘干法、密度用环刀法、颗粒分析用密度计法、比 重用比重瓶法。 2 2 3 压缩试验( 固结试验) 固结试验是研究土体一维变形特性的测试方法。它是测定土体在压力作用下 的压缩特性，所得到的土的各项指标用以判断土的压缩性和计算土工建筑物与地 基的沉降。 测定试样在侧限与轴向排水条件下变形和压力或孔隙比和压力的关系、变形 和时问的关系，以便计算压缩系数口一压缩指数e 、回弹指数c 。、压缩模量e 。、 固结系数g 等，从而得到计算所需要的软土模型参数。 本次试验是在单向固结仪上进行。试样面积3 0 c m 2 、高度2 c m 。试验压力分 别为：2 5l ( p a 、5 0k p a 、1 0 0 k p a 、2 0 0l 【p a 、4 0 0l ( p a 。 由图2 1 与图2 2 可得： 1 6 第二章土体物理力学性质试验研究 压缩系数： e q 一石 ( 2 1 ) 压缩指数：e = 一i 盈茜 q 2 ) a 进而可以得到计算所需要的两个参数：修正压缩指数和修正膨胀指数k ， 这两个参数是软土模型的基本刚度参数，名是修正压缩指数，它用于确定主加 载作用下材料的压缩性。 护、p ：p 、f 、 。 图2 1 压缩试验p p 曲线 在软土模型中，假定体积应变s ，与平均有效应力p 之间存在对数关系： 岛_ 一m 争 3 ) 掣一盯( 争 4 ) 与修正剑桥模型中五不同在于是关于体积应变而不是关于孔隙比的函数， 修正剑桥模型中： p 一= 一五l i l ( 三- ) ( 2 5 ) p q p 。一：一彤l n ( 三- ) ( 2 6 ) p q 由于体积压缩应变s 。和孔隙比的改变p 存在以下关系： 酌 晚白幽 杪 河海大学硕士学位论文 p 岛2 瓦 因此可以得到如下关系： 修正压缩指数：兄：l ：j 一 l + 2 3 ( 1 + ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 修正膨胀指数：r = l = _ 未l _ _ ( 2 9 ) 1 + 2 3 ( 1 + ) 一般来说兄r ( = 名盯) 的变化范围为3 7 ，本文中取为名。k = 5 。 压缩模量：e ：旦鱼 ( 2 1 0 ) 瓯 式中为土体初始孔隙比 鲍 约 红 图2 2 压缩试验p l g p 曲线 当荷载加载到1 0 0 l ( p a 时，开始读固结系数，按照一定的时间，记录试样的高度变 化，根据时间平方根法计算得出固结系数。 对于固结系数，有如下关系： 固结系数e ：l ：丛盟 ( 2 1 1 ) m v y wy w n v 则渗透系数后：竺厶盟( 2 1 2 ) l + 式中后渗透系数，州s ： e 固结系数，c m 2 s ； 第二章土体物理力学性质试验研究 水的重度，心耐； 帆体积压缩系数，k p a 1 ； 吼竖向压缩系数，l ( p a 1 ； 土体初始孔隙比。 通过固结系数可以反算得到土体的渗透系数。 2 2 4 三轴固结排水剪切试验 本试验是测定应力应变体变关系曲线，确定变形参数；测定强度指标， 仍作为数值分析参数。 2 2 5 水泥土试样无侧限压缩试验 本试验是测定水泥土在竖向压力作用下的无侧限压缩特性，得到水泥土的弹 性模量，作为数值计算的依据。 水泥土室内试验所用土样取自施工现场，水泥搅拌桩施工后7 天抽芯取样， 养护2 8 天后进行室内压缩试验。 将芯样制作成尺寸为直径7 2 n h n ，高度8 0 m m 的圆柱状试样，利用高压固结仪 加载，对于高压固结仪标准试样，横截面面积为5 0 c m 2 ，试验压力分别为：5 0l ( p a 、 1 0 01 ( p a 、2 0 0l ( p a 、4 0 01 ( p a 、8 0 0l ( p a 、1 6 0 0l ( p a 、3 2 0 0k p a 。本试验实际压力换算 如下： 出一风 在每级荷载下读取最终稳定轴向变形量， 蘩 辫薯鬻j ( 2 1 3 ) 得到水泥土样荷载与变形的关系。 黟鬣一 圈 图2 3 水泥土压缩试验实验仪器及试样 1 9 河海大学硕士学位论文 2 3 试验成果分析整理 2 3 1 物理性试验成果 对部分土样进行了含水率、密度及比重测定，其试验结果参见表2 1 ，颗粒 分析成果见表2 2 ，稠度见表2 3 。 表2 1土样物理试验成果 取样深度湿密度含水率 断面名称土样编号比重 ( m ) y ( g c m 3 ) w ( ) 淤泥14 2 4 5 1 7 44 0 62 7 2 淤泥2 9 0 9 21 7 53 2 12 7 2 z k 2 9 淤泥质粉砂l 1 5 4 1 5 61 7 23 4 52 7 l + 1 0 0 l 亚粘土1 1 9 8 2 01 8 93 0 82 7 l 粉细砂l2 7 6 2 7 81 9 82 3 52 7 1 淤泥3 4 9 5 41 7 04 1 02 7 2 淤泥4 6 5 6 71 7 24 8 92 7 1 z k 2 9 淤泥质粉砂2 8 2 8 51 7 33 2 6 2 7 1 + 2 0 r 淤泥质粉砂3 9 2 9 41 7 33 9 62 7 1 亚粘土2 2 0 0 2 0 31 9 02 9 82 6 8 表2 2三种土样的颗粒组含量 土样粒径( m m ) 0 2 5 0 0 7 50 0 7 5 o 0 0 5 0 ) ，岛取为c c o t 缈的极小值。 1 ， ，： 耋l ， 钐 。；母 p cc o t 【p p ， 图3 5 软土模型在p 一g 平面上的屈服函数 对于软土模型，有7 个参数：土的容重y ( 包括湿容重y 。订和干容重) ，渗 透系数七( 包括水平渗透系数t 和垂直渗透系数尼。) ，修正压缩指数，修正膨 胀指数盯+ ，土的凝聚力c ，摩擦角妒和剪胀角。 3 2 4 有限元模型的建立 ( 1 ) 基本假定 a 、路堤沿纵向足够长，且路堤尺寸沿纵向保持不变，可作为平面应变问题分 析； b 、路堤双侧直接加宽，对称填筑在老路堤边坡外侧； c 、地下水位位于地面下2 m ，固结理论采用b i o t 理论； d 、路面荷载转化为2 5 k p a 均布于路堤表面。 ( 2 ) 边界条件 考虑到计算影响范围，取地基计算深度取3 0 m ，宽度取8 0 m 。根据结构对称 性，取一半结构进行计算，左边界为老路堤中心线，则竖向自由，水平约束，不 排水；下边界为竖向和水平均固定，因为是细砂层，设为排水；右边界为竖向自 由、水平固定，不排水，上边界为竖向和水平均自由，排水。 ( 3 ) 计算断面和地基变形参数 根据现场取得的地质资料和室内试验，得出以下计算断面地层分布图，见图 3 6 ，图3 7 为计算断面网格划分和边界条件，表3 1 为计算断面地层参数。 河海大学硕士学位论文 r 老路堤新藤警1 5 r 馒免层2 m 淤泥层5 m ( 7 m ) 淤泥质粉砂层5 m ( 8 m ) 细砂层1 8 m ( 1 3 m ) r 8 0 m 图3 6 计算断面地层分布图 钉* 誉搿瓣誊善翁、 n n 八v 厂0 t 。| 3 图3 7 计算网格划分和边界条件 表3 1土层计算参数 淤泥质亚粘 土层路堤填高硬壳层 淤泥层 粉砂层 十层 土层厚a 类地基 4 02 05 05 018 0 ( m ) b 类地基 4 02 o7 08 o1 3 0 干容重( k n m 3 )2 0 1 7 21 2 0 1 31 4 9 湿容重( k n m 3 ) 2 21 81 7 21 7 41 9 o 水平渗透系数( 1 0 c m s ) 1 70 7 50 8 03 5 0 6 5 垂直渗透系数( l o c n l s ) 1 5 0 5 30 6 42 4o 5 0 杨氏模量e 5 0 ( 1 ( p a ) 4 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 修止压缩指数 0 0 7 60 0 5 5 修正膨胀指数0 0 1 6o 0 l l 泊松比 0 3 0o 3 50 3 0 粘聚力c ( 1 ( p a ) 7 01 0 01 2 99 21 5 0 摩擦角7 ( 。)2 8 0 2 5 0 2 0 72 6 72 8 0 剪胀角( 。) o 0 0 00 o0 00 0 第三章复合地基处理拓宽工程的变形性状和影响因素分析 ( 4 ) 填筑加载历程 为了模拟老路基的先期固结，有限元的计算从老路基的填筑开始算起，考虑 老路的施工期和运营期，以扩建前的老路路基和地基应力状态作为加宽路基计算 的初始应力状态，然后再分别考虑加宽路基的施工期和运营期。 由于拓宽前老路运营期已经达到1 0 年，老路基的固结变形已基本稳定，且老 路基中排水板的通水能力已经很小，因此分析中假定塑料排水板已经失效，渗透 系数与原土体相同。在计算中，为模拟路基分层填筑，新路堤加载采用逐级加载 的方式，加载后固结，然后再加载。填筑加载历程见表3 2 。 表3 2填筑加载历程 加载级施工( 天)预压( 天) 老路堤填高4 m 3 0 03 6 0 0 填高0 8 m 3 0 填高1 6 m 3 0 新路堤填高2 4 m 3 0 填高3 2 m 3 0 6 0 填高4 m 1 8 03 6 0 0 ( 5 ) 计算简化 1 ) 桩空间问题向平面问题计算简化 复合地基有限元法大致可分为两大类【3 】：第一种类型为桩土分离分析法，就 是在加固区的桩和土中分别设置单元，同时为了模拟桩一土界面的相互作用，可 以在桩一土界面设置接触面单元，即采用桩体+ 界面单元+ 土体单元的计算模型 进行计算。桩土一般采用不同的本构模型，桩通常采用线弹性模型，桩间土采用 弹性非线性模型或弹塑性模型。对于柔性桩，如水泥搅拌桩，桩周土由于在成桩 过程中产生了振动、挤压，而成桩后水泥颗粒与周围土进行离子交换而产生了化 学反应等，导致桩周围一定范围内的土具有复杂的结构性质，而不像刚性桩那样 桩土间有一个清晰的界面。因此采用接触面单元或界面元等都不能较好地反映实 际接触边界情况。因此，对于水泥搅拌桩这类复合地基通常采用不设接触面或设 置过渡区的方法来进行计算，即采用桩+ 桩周土的计算模型进行计算，因此在水 泥搅拌桩复合体中只有桩单元和土单元。桩土分离分析法的优点是能分析复合地 基的承载机理，能够考虑桩土之间的相互作用。但对于大规模群桩复合地基，由 于自由度巨大而使计算量太大。第二种类型是复合本构分析法，这种方法是将加 固区视为由桩和土组成的均质各向异性的复合材料，通过合理的方式建立能反映 复合地基整体特征的本构方程，然后利用有限元法求解，该法在分析群桩复合地 基划分单元时，不必考虑桩的存在，采用增强体复合单元+ 土体单元的计算模型 进行计算。这种方法的优点在于用单独划分单元，计算工作量较少，但该法无法 分析桩一土之间的相互作用。 河海大学硕士学位论文 在分离式分析方法中，无论三维有限元分析还是二维有限元分析，一般要对 桩体进行几何性状的等价转换。在三维分析中，常将圆柱体等价为正方柱体。在 二维有限元分析中，需将空间布置转化为平面问题，界面单元可以根据需要设置。 本文采用分离式分析方法对水泥搅拌桩复合地基进行分析。 对空间问题向平面转化的方法就是将在空间沿路堤横向和纵向按一定距离 分布的桩转化为沿路堤纵向方向的连续墙。这里，简化的方法也有二种，一种保 持将连续墙代替桩，并使墙的宽度与沿路堤横向桩的直径相同，降低桩的弹模， 第二种是按照转换前后墙与桩的总刚度等效，减少墙的宽度。 刚度等效 转换 + - 暑 团 誉暑工三 。酝。 od bo 本文采用的是第一种转换前后墙与桩的总刚度等效的方法。假定软基处治前 后的轴向刚度等效【3 】如图3 8 示，对粉喷桩群桩而言，单位桩间距长度的总刚 度为： s ：聊丝 ( 3 1 9 ) 月 式中：聊为剖面方向水泥搅拌桩的排数，彳为水泥搅拌桩的断面积，e 为水 泥搅拌桩的弹性模量，日为桩长。墙的总刚度为： 第三章复合地基处理拓宽工程的变形性状和影响因素分析 s i _ 加丝 ( 3 2 0 ) 月 。 式中聊为剖面方向板桩的排数，等于原横向水泥搅拌桩的排数，d 为板桩厚 度，为板桩的长度，e 为板桩的弹性模量。根据总刚度等效，由( 3 1 9 ) 、( 3 2 0 ) 式得到： e ：e 鲁 ( 3 2 1 ) 说 、 7 2 ) 桩的一维梁单元模型 在路堤荷载作用下，地基中的水泥搅拌桩( 墙) 体一方面受压( 拉) ，另一 方面受弯，是弯压结合的偏心受压构件。本文采用一维梁单元模拟水泥搅拌桩墙 体的受力特性。 这种一维梁单元，取其宽度为1 m ，长度为三，没有厚度，一个单元有f ，两 个结点，每个结点有水平位移，垂直位移和角位移，即每个结点有材、，、臼三个 自由度，如图3 9 示。 根据有限单元法的基本原理，这种梁单元的结点力与结点位移之间的关系 为： p r = 陆】。p ) 。 ( 3 2 2 ) 式中 p 广单元结点力列阵； p ) 8 单元结点位移列阵； k r 单元劲度矩阵，是与墙体的弹性模量及梁的几何尺寸有关的6 6 对称矩阵。 8 寻也巳m 弓巴鸠 t ( 3 2 3 ) 3 7 河海大学硕士学位论文 万 8 = 耄) = 屯如谚毛如g t ( 3 2 4 ) 很显然，在荷载作用下，这种一维梁单元结点上既有水平位移，又有垂直位 移，同时还有角位移，较好地模拟了桩体受力特性，与通常的有限元计算中将墙 体与周围土体用“同等单元 模拟的方法有本质性的不同，它更接近实际。 3 3 拓宽工程变形性状 本文所依托工程原有路堤下软土地基采用堆载预压排水固结法加固，运营十 年后进行拓宽改造。拓宽部分复合地基采用水泥搅拌桩，桩体视作弹性材料，模 量为e = 2 0 0 m p a ，泊松比0 2 ，桩距2 0 m ，桩长1 2 m ，干容重为1 8k n m 3 ，湿容 重为2 0l ( n m 3 ，渗透系数为1 2 1 0 击c 觚，处理范围为距离老路中心1 5 m 至新坡 脚外侧。水泥搅拌桩复合地基布置见图3 1 0 。 图3 1 0 水泥搅拌桩复合地基布置 图3 1 l 为填筑过程中地基变形情况，老路中心在填筑初期会因为新路填筑引 起轻微隆起，其后随着填高和固结的进行，老路中心开始沉降，到新路填筑1 0 年后，沉降4 1 c m ，而新路荷载引起新路地基下最大附加沉降2 4 4 c m ，老路附加 沉降是新路的1 7 0 ，可见新路填筑对老路基影响较大。沉降曲线在填筑期间随 着填高的增加，沉降变化均匀，完工后路基发生较大的工后沉降，达到1 4 3 c m ， 占总沉降量的5 8 6 ，这是因为地基软土固结系数较小，固结稳定所需要时间长， 在填筑阶段还远远达不到稳定状态，因此较大的沉降发生在完工后。 老路地表水平位移在填筑初期会因为新路填筑轻微向老路中心，其后随着填 高和固结的进行，新老路地基表面水平位移均向新坡脚方向，且位移量也逐渐增 大，到新路填筑l0 年后，地基表面最大水平位移达到5 2 c m ，其中工后水平位 第三章复合地基处理拓宽工程的变形性状和影响因素分析 移与施工期间产生的水平位移各占5 0 。 老坡脚位于拓宽部分形心左侧，在填筑初期，老坡脚断面土层水平位移向老 路中心方向，随着填筑高度的增加和路基固结发生，老坡脚断面土层位移方向逐 渐向新坡脚方向发展，完工后最大水平位移达到1 8 c m ，工后1 0 年达到4 7 c m 。 新坡脚断面水平位移方向为高速公路外侧，随着填高的增加，水平位移逐渐变大， 且最大水平位移始终发生在地下2 m 处，不随填高的影响。完工时最大水平位移 为3 9 c m ，工后最大水平位移达到7 4 c m 。由此可见，随着填筑和固结的进行， 新老路堤发生变形的趋势是整体向新坡脚发生“滑移”。 o - 5 名1 0 确1 5 世 | 耋 琳 醐氆 叠 3 0 3 5 图3 1 1 ( a ) 地基表面沉降 7 5 6 o 潍4 5 趟 * * 3 o 豫 群 婆” o o d 、， 越 送 图3 1 1 ( b ) 地基表面水平位移 图3 1 l ( c ) 老坡脚断面水平位移图3 1 1 ( d ) 新坡脚断面水平位移 图3 1 2 为公路拓宽运营1 0 年后，水泥搅拌桩复合地基拓宽与天然地基( 无 任何处理) 拓宽的变形情况比较。由图可以看出，无论新路基是否采用复合地基 处理，新路路堤的填筑会引起新老路基都发附加沉降，这是由于附加荷载引起地 基再次发生固结所致。 3 9 河海大学硕士学位论文 距离老路中心( m ) o51 01 5箱 o51 01 5 为 距离老路中心( m ) 图3 1 2 ( a ) 地基表面沉降图3 1 2 ( b ) 地基表面水平位移 距离老路巾心( m ) o o5 o1 5加器 o5t 01 52 02 5 距离老路中心( m ) 图3 1 2 ( c ) 路堤表面沉降图3 1 2 ( d ) 路堤表面水平位移 图3 1 2 ( e ) 老坡脚断面水平位移图3 1 2 ( f ) 新坡脚断面水平位移 图3 1 2 ( a ) 所示，地基附加沉降曲线均呈“勺形分布，在老路中心点处 最小，新路肩内侧下方沉降最大，这也由附加荷载所决定的，新填筑部分荷载分 布为平行四边形，其荷载形心作用点位置地表对应点在新路肩内侧附近，而老路 中心距离荷载形心点位置最远，其影响最小。如果新路没有处理，这种附加沉降 分布会使新老路产生很大的差异沉降，明显改变老路横坡比，影响行车安全；而 e 7 6 5 4 3 2 1 o 5_)潍罐牛簧阻噼醐鲁 o 加 髓 ；昌 gv嘲避蜉随群瑚霉 0 6 2 o m。v簿掣*瞎啭蹲餐 o 伸 幅 箱 鞲 sv蛹进器厦秣掣蟹 第三章复合地基处理拓宽工程的变形性状和影响因素分析 经过复合地基处理后，虽然形状没有改变，但是差异沉降明显减小，沉降曲线趋 于平缓。图3 1 2 ( c ) 和图3 1 2 ( d ) 所示，路面最大沉降均发生在新路肩，未经 处理的路面差异沉降远大于复合地基处理情况下的差异沉降，而且路面水平位移 也远远超出，因此，天然地基拓宽势必引起路面开裂，影响行车的安全性和舒适 性。 图3 1 2 ( e ) ( f ) 所示，新老坡脚水平位移主要发生在软土层，而且位移趋 势是向新坡脚方向。如果未经处理，在新路荷载的作用下，软土层发生了塑性流 动，由于老路堤的应力扩散作用，老路基的附加应力比新路基要小很多，而且老 路基已经经过多年的固结，性质得到明显的改善，对新路基软土起到侧向限制的 作用，因此，塑性区主要是位于新路基，而且位移方向主要是向公路外侧。对 于复合地基处理后的路基，新路荷载通过刚度较大的桩体传递到模量相对较大的 下卧层，软土层附加应力小，发生塑性流动的区域也小，因此，软土层侧向位移 比未经处理要小，而深层土体侧向位移大。 3 4 复合地基沉降变形影响因素 上节对比分析了拓宽后新老路基的变形性状，可以得出复合地基处理新路基 可以很大改善新老路基路面的变形性状，但是对于不同的工况，变形规律会有所 差异。影响新老路地基变形的因素很多，本节将对地层因素、复合地基处理因素 对复合地基处理效果的影响进行分析，为突出各个因素的影响，在分析中，采用 单因素逐个分析，其他因素保持不变。 3 4 1 地层因素 ( 1 ) 软土模量： 计算假定复合地基处