11高填方路基变刚度处理技术

1、+高填方路基处理技术的变刚度理论及高填方路基处理技术的变刚度理论及 工程应用研究工程应用研究郑州大学土木工程学院郑州大学土木工程学院郑州市轨道交通有限公司郑州市轨道交通有限公司一、项目研究背景一、项目研究背景二、项目的主要创新点二、项目的主要创新点三、工程应用三、工程应用汇报的主要内容汇报的主要内容 四、主要结论四、主要结论第一部分第一部分 项目的研究背景项目的研究背景 项目研究背景1第一部分第一部分 高填方路基后处理技术概述高填方路基后处理技术概述 1随着我国高速公路向西部地区不断延伸随着我国高速公路向西部地区不断延伸, ,出现了大量的出现了大量的高填方路基；高填方路基；许多高速公路在竣工通

2、车后普遍出现桥头跳车的现象；许多高速公路在竣工通车后普遍出现桥头跳车的现象；路桥结合区路面出现不同程度的沉降、断裂；路桥结合区路面出现不同程度的沉降、断裂；车辆在通过时产生跳跃和冲击车辆在通过时产生跳跃和冲击, ,造成车辆大幅度减速造成车辆大幅度减速, ,使司机和乘客感到颠簸、不适使司机和乘客感到颠簸、不适, ,严重的可导致交通事故严重的可导致交通事故桥头跳车也加速了桥梁、路面以及车辆的损坏桥头跳车也加速了桥梁、路面以及车辆的损坏 先处理技术后填土后填土地基处理地基处理分层碾压填土分层碾压填土 高填方路基的处理技术之一2021-11-1362后处理技术2021-11-13 高填方路基的处理技术

3、之二73先填土先填土后填土后填土 部分填方后处理部分填方后处理全填方后处理全填方后处理 高填方路基的变刚度处理技术4变刚度处理技术变刚度处理技术=先处理技术先处理技术+后处理技术后处理技术 高填方路基的变刚度处理技术的优点5 目前研究存在的问题61、满足高填方路基对地基承载力的要求2、满足高填方路基对地基快速固结的要求1、对高填方路基处理技术的变刚度理论缺乏系统研究2、高填方路基变刚度处理技术的无成熟的设计方法第二部分第二部分 项目的主要创新点项目的主要创新点1、高填方路基处理技术的变刚度理论2、高填方路基变刚度处理技术的关键因素分析3、高填方路基变刚度处理技术的设计计算方法高填方路基变刚度处

4、理技术的计算模型高填方路基变刚度处理技术的计算模型n喷粉桩先处理，桩长喷粉桩先处理，桩长8.5m，桩径，桩径500mm，正方形布置，桩间距，正方形布置，桩间距1.5m；n然后，进行然后，进行4.8m填土；填土；n无砂混凝土小桩后处理，桩径无砂混凝土小桩后处理，桩径150mm，桩长，桩长9m，间距，间距1.5m，正方形布置；，正方形布置；完成最后完成最后2m的路堤填方；的路堤填方；n最终路堤顶部宽最终路堤顶部宽28m，路基边坡坡率为，路基边坡坡率为1:1.5，处理路段长度为，处理路段长度为24m，无砂混，无砂混凝土小桩施工时道路宽凝土小桩施工时道路宽34m。模型概况模型概况有限元计算模型有限元计

5、算模型n水平方向取水平方向取121米，深度方向取米，深度方向取35.4米；米；n填方分两阶段，第一阶段为先处理阶段，填方按照初次填方分两阶段，第一阶段为先处理阶段，填方按照初次进行进行0.3m，之后每次进行，之后每次进行0.5m，填方高度到，填方高度到4.8m，每次填，每次填方持续时间为方持续时间为1.2月月 ；n无砂小桩施工完毕后，进行下一步填方施工，每次填方无砂小桩施工完毕后，进行下一步填方施工，每次填方时间持续时间为时间持续时间为1个月，直到填方至个月，直到填方至6.8m时结束时结束 。hegdafcb模型概况模型概况有限元数值模拟的材料参数有限元数值模拟的材料参数 土体采用土体采用mo

6、hr-columb弹塑性模型；粉喷桩、无砂弹塑性模型；粉喷桩、无砂混凝土小桩为线弹性材料；除路堤填土外，其余土体考混凝土小桩为线弹性材料；除路堤填土外，其余土体考虑孔压作用。虑孔压作用。单排小桩复合桩墙支护有限元模型材料参数单排小桩复合桩墙支护有限元模型材料参数粉喷桩先处理后粉喷桩先处理后小桩施工前后的计算结果小桩施工前后的计算结果路堤竖向变形路堤竖向变形小桩施工前小桩施工前小桩成孔施工后小桩成孔施工后u经过短期的小桩施工，经过短期的小桩施工，路堤中心的最大沉降量路堤中心的最大沉降量有所增加；有所增加；u路基外侧的最大隆起路基外侧的最大隆起量则有所减小；量则有所减小；u从整体上来看，小桩从整体

7、上来看，小桩的施工对路堤的整体稳的施工对路堤的整体稳定及加速固结沉降是有定及加速固结沉降是有利的。利的。 路堤水平向变形路堤水平向变形小桩施工前小桩施工前小桩成孔施工后小桩成孔施工后u小经过短期的小桩施小经过短期的小桩施工，路堤坡脚下部的最工，路堤坡脚下部的最大水平位移量有所减小；大水平位移量有所减小；u路堤路肩的最大侧移路堤路肩的最大侧移量则有所增加；量则有所增加；u分析：由于孔压的消分析：由于孔压的消散，路基中心区域的沉散，路基中心区域的沉降造成的降造成的 。 超孔隙水压力的变化情况超孔隙水压力的变化情况u路堤在填土施工，路基由于排水不畅，产生超静孔隙水压力 ；u坡脚部位由于所受路堤上部荷

8、载较小，产生的超孔隙水压力较小；u小桩投石阶段，路堤填方施工产生的超孔隙水压力迅速消散 。 粉喷桩受力分析粉喷桩受力分析桩身轴力桩身轴力小桩成孔施工后小桩成孔施工后小桩施工前小桩施工前u最大轴力在1/3处 ；u桩侧存在负摩阻力；u小桩施工对轴力影响不大 。 无砂混凝土小桩后处理之后无砂混凝土小桩后处理之后填土完毕的计算结果填土完毕的计算结果u小桩施工结束之后，继续进行路基填土施工；u按照每次0.5m共进行4次，填方至6.8m时结束；u路堤顶面施加10kpa的路面荷载。粉喷桩受力分析粉喷桩受力分析桩侧摩阻力桩侧摩阻力小桩成孔施工后小桩成孔施工后小桩施工前小桩施工前u桩体上部承桩体上部承受土体的负

9、摩受土体的负摩阻力阻力 ；u桩体桩体1/31/3位位置以下负摩阻置以下负摩阻力逐渐消失；力逐渐消失；u小桩处理后，小桩处理后，桩侧摩阻力有桩侧摩阻力有较小的增加，较小的增加，但变化不是很但变化不是很明显明显 。 无砂小桩受力分析无砂小桩受力分析桩身轴力桩身轴力路堤顶施加车辆荷载后路堤顶施加车辆荷载后填土结束后填土结束后u路基中心处各桩体轴力相差不大u路基边缘小桩轴力较小；u道路运营后对小桩轴力影响不大 无砂小桩受力分析无砂小桩受力分析桩侧摩阻力桩侧摩阻力路堤顶施加车辆荷载后路堤顶施加车辆荷载后填土结束后填土结束后u小桩的上部出现较大范围的桩侧摩阻力 u道路运营后，桩侧负摩阻有所增大 无砂小桩位

10、移分析无砂小桩位移分析桩顶附加沉降桩顶附加沉降u桩顶沉降基本上呈现出“碟形”u路面加载后，对中心桩体的影响较外围的桩体要明显；典型路堤断面位移典型路堤断面位移沉降分析沉降分析p路基中心沉降大；p坡脚外一定范围的土体隆起；p道路运营后路基中心大约产生了2cm的沉降p在路面荷载作用下，自路基中心向路基外侧，沉降量逐渐减；p加载对路基中心部位影响大于边缘；典型路堤断面位移典型路堤断面位移水平位移分析水平位移分析p坡脚处有小量的向路基内部的水平位移 ；p向路基外的水平行随深度先增大后减小 ；p加载后对路堤处影响较小；对地面以下有较大影响；p加载后，各位置处位移均有所增大 粉喷桩受力分析粉喷桩受力分析桩

11、身轴力桩身轴力u桩顶部分，存在少量的桩身轴力的减小现象；u桩侧存在负摩阻力；u路面的加载过程使得粉喷桩应力水平提高 路堤顶施加车辆荷载后路堤顶施加车辆荷载后填土结束后填土结束后粉喷桩受力分析粉喷桩受力分析桩侧摩阻力桩侧摩阻力u桩体上部承受土体的负摩阻力 ；u负摩阻力大约自桩顶1.5m位置出现，其范围约占全长的2/5，摩阻力平衡点约位于5m左右位置；u路基边缘处桩侧摩阻力分布较为复杂 。 路堤顶施加车辆荷载后路堤顶施加车辆荷载后填土结束后填土结束后粉喷桩位移分析粉喷桩位移分析桩顶附加沉降桩顶附加沉降u桩顶沉降基本上呈现出“碟形”u路面加载后，对中心桩体的影响较外围的桩体要明显；第二部分第二部分

12、项目的主要创新点项目的主要创新点1、高填方路基处理技术的变刚度理论2、高填方路基变刚度处理技术的关键因素分析3、高填方路基变刚度处理技术的设计计算方法1、不同地基处理方法的对比分析、不同地基处理方法的对比分析p不进行地基处理时，在填方过程中沉降变形较大，且后期差异性更大 ；p变刚度处理沉降相当较小p不进行地基处理，超孔隙水压的数值和增速都在三者之中最大 ；p变刚度处理技术有利于超孔压的消散2、地基土渗透系数的影响、地基土渗透系数的影响pk110e-8m/s时，路基产生的超孔压很小，可以不进行该种地基处理形式， 3、粉喷桩桩体强度的影响、粉喷桩桩体强度的影响 （1）p随着粉喷桩桩身模量的增大，超

13、孔隙水压力有所减小；p原因：桩体承担更多合作，土体应力减小 对超孔压的影响对超孔压的影响3、粉喷桩桩体强度的影响、粉喷桩桩体强度的影响 （2）p随着粉喷桩桩身模量的增大，桩土应力比增大；p靠近路基中心，桩土应力比变化不大，路基边缘桩土应力比变化较大；对桩土应力比的影响对桩土应力比的影响3、粉喷桩桩体强度的影响、粉喷桩桩体强度的影响 （3）p桩顶位移和路堤部分土体位移存在一定的差异；p桩体强度对位移影响相对不大；对位移的影响对位移的影响路堤底部路堤底部粉喷桩桩顶粉喷桩桩顶4、粉喷桩桩长的影响、粉喷桩桩长的影响 -粉喷桩桩身轴力粉喷桩桩身轴力p随着桩长增加，最大轴力减小，最大轴力位置上移； 桩长桩

14、长8.5桩长桩长11.54、粉喷桩桩长的影响、粉喷桩桩长的影响 -粉喷桩桩侧摩阻力粉喷桩桩侧摩阻力p上部负摩阻力分布差别不大；p随着桩长增加，下部摩阻力减小； 桩长桩长8.5桩长桩长11.5 4、粉喷桩桩长的影响、粉喷桩桩长的影响 -地面沉降地面沉降p桩长增加对减小地面沉降影响不大； 桩长桩长8.5桩长桩长11.5 5、无砂小桩桩长的影响、无砂小桩桩长的影响 -小桩桩身轴力小桩桩身轴力p小桩桩长增加对桩身轴力影响不大；p对桩侧摩阻力影响也不大 桩长桩长9m桩长桩长13m5、无砂小桩桩长的影响、无砂小桩桩长的影响 -路堤位移路堤位移p小桩桩长增加对路堤位移影响不大； 桩长桩长9m桩长桩长13m

15、5、无砂小桩桩长的影响、无砂小桩桩长的影响 -粉喷桩桩身轴力粉喷桩桩身轴力p随桩长增加，粉喷桩桩体上部轴力稍有减小，中部基本维持不变，底部稍有增大；p原因：小桩桩长增加时，将荷载传递至更深的土层 桩长桩长9m桩长桩长13m 6、桩间距的影响、桩间距的影响 -粉喷桩桩身轴力粉喷桩桩身轴力p桩间距增加，粉喷桩桩身轴力减小较大；p桩间土承担更多的荷载； 间距间距1.5m间距间距2.5m6、桩间距的影响、桩间距的影响 -小桩桩身轴力小桩桩身轴力p桩间距增加时，小桩桩身轴力随之增加；p单根小桩承担更多的填土荷载； 间距间距1.5m间距间距2.5m6、桩间距的影响、桩间距的影响 -路堤位移路堤位移p路堤下

16、部沉降变化更剧烈；p随着桩间距增加，路堤沉降有所增加； 间距间距1.5m间距间距2.5m第二部分第二部分 项目的主要创新点项目的主要创新点1、高填方路基处理技术的变刚度理论2、高填方路基变刚度处理技术的关键因素分析3、高填方路基变刚度处理技术的设计计算方法1、填土方案设计、填土方案设计 -先填土高度的确定先填土高度的确定13sinp313uba213tan2 tan4242c2、后处理后路基承载力的确定、后处理后路基承载力的确定11 111p1f12122p2f22121cfsfpkm pkm pkmmp思路：思路：把无砂小桩后处理后的路基视为长短桩复合地基无砂小桩承担的负摩阻力无砂小桩承担的

17、负摩阻力3、先处理后的整体稳定性分析、先处理后的整体稳定性分析思路：思路：考虑先处理对稳定的加强作用，采用复合地基稳定性验算方法圆弧滑动面法复合土体综合强度：1cspmm4、后处理的整体稳定性分析、后处理的整体稳定性分析思路：思路：采用圆弧滑动面法小桩复合土体小桩复合土体粉喷桩复合土体粉喷桩复合土体粉喷桩、小桩复合土体粉喷桩、小桩复合土体 综合强度为：综合强度为：1211221csppmmmm5、沉降计算、沉降计算思路：思路：参照复合地基，采用复合模量法计算沉降第三部分第三部分 工程应用工程应用1、工程概况、工程概况基本情况：基本情况：阿深线扶项高速公路路段，赵黄公路立交桥北端桥头段采用无砂混

18、凝土小桩变刚度处理，路基填方至4.8m时进行无砂混凝土小桩后处理. 处理路段长度24m，宽34m，无砂小桩桩径150mm，桩长9m，布桩方案为1.50m1.50m，三角形布置，布桩数为428根 监测点布置监测点布置桥北端：桥北端：先处理先处理+ +后处理的后处理的 变刚度处理技术桥南端：桥南端：仅无砂小桩仅无砂小桩 后处理后处理3、监测结果、监测结果 -沉降沉降对比结果：对比结果：经过变刚度后处理的路段最大沉降量为21mm；仅进行无砂小桩后处理的路段最大沉降量为28mm 。变刚度处理变刚度处理无砂小桩后处理无砂小桩后处理3、监测结果、监测结果 -水平位移水平位移对比结果：对比结果：经过变刚度处

19、理的桥北端总体水平位移要明显小于仅进经过变刚度处理的桥北端总体水平位移要明显小于仅进行无砂小桩后处理的桥南端行无砂小桩后处理的桥南端 。变刚度处理变刚度处理无砂小桩后处理无砂小桩后处理第四部分第四部分 主要结论主要结论主要结论主要结论1）变刚度处理的无砂混凝土小桩处理阶段，可有效的加）变刚度处理的无砂混凝土小桩处理阶段，可有效的加速路基在填土部分产生的超孔隙水压力，加速土体固结，速路基在填土部分产生的超孔隙水压力，加速土体固结，增强土体的强度，提高路堤的安全系数；增强土体的强度，提高路堤的安全系数；2）从粉喷桩的轴向和侧向应力分布来看，桩体的轴向应）从粉喷桩的轴向和侧向应力分布来看，桩体的轴向

20、应力最大位置处于桩体上部力最大位置处于桩体上部1/2位置，位置，桩体的上部主要承受桩体的上部主要承受土体的负摩阻力，下部承受正的摩阻力土体的负摩阻力，下部承受正的摩阻力； 3）无砂混凝土小桩的上部出现较大范围的桩侧负摩阻力无砂混凝土小桩的上部出现较大范围的桩侧负摩阻力，从路基中心到路基边缘，应力水平逐渐减小，但是其范从路基中心到路基边缘，应力水平逐渐减小，但是其范围变化不大，在路基边缘部分，衰减较快围变化不大，在路基边缘部分，衰减较快； 4）采用变刚度处理技术处理的路基，在路堤填土作用下，）采用变刚度处理技术处理的路基，在路堤填土作用下，超孔隙水压增长速度较不进行路基处理和仅进行先处理的超孔隙水压增长速度较不进行路基处理和仅进行先处理的路堤小，数值也小；路堤小，数值也小；5）采用变刚度处理技术处理渗透系数小于）采用变刚度处理技术处理渗透系数小于110-8m/s的土的土体时，效果比较显著；体时，效果比较显著；6）粉喷桩强度的变化对