高填方后处理复合路基荷载传递机理及变形分析

高填方后处理复合路基荷载传递机理及变形分析

根据2012年交通运输部发布的信息，2011年11月底，中国高速公路开通总里程为8000公里，其次是美国，居美国第二。因此，路堑处理方法的安全性直接关系到人们的生命财产安全。当埋深大的软土层被填充时，路堑填充和压裂过程会给下层土壤带来巨大的超间隙水压力。薄弱土层的排水不良直接导致土壤侵蚀的有效强度增加，与上部负荷的增加不协调。当路基填充到设计标准高时，下层土壤难以完全固定，道路变形的影响也无法避免。基于此，高填充方路基后方处理技术是一种新型有效的解决方案。多项实验和工后监控资料充分证明了高填充方路基后方处理方法的科学性和工程适用性。现阶段国内的专家学者对高填方路基后处理技术的研究很多,但是研究形式仍然处于以经验为主,以施工监控为辅的初级发展水平.而国外的大多数研究以桩侧负摩阻力和固结沉降为主,几乎没有涉及高填方路基后处理技术.例如文献[8]只是根据桩基负摩阻力现场试验研究成果,对相应名词定义进行了规范.文献[9-10]利用PLAXIS软件建立了考虑土体固结沉降的单桩数值模型,分析了桩土交界面的相对位移、摩阻力中性点的位置随土体中固结过程的变化规律.文献[11-14]利用有限元软件建立了群桩模型,分析桩间距、桩数、桩位、桩型、地面堆载等级、桩周土刚度、桩土界面相对滑移、固结过程等因素对桩周负摩阻力影响规律.从目前国内外的研究现状来看,高填方路基后处理技术研究多集中于施工工艺和处理效果等宏观方面,而后处理复合地基受荷后的桩土相互作用和传力机制及其优化设计理论研究方面还存在许多尚未解决的问题.基于此笔者运用ABAQUS有限元软件建立了后处理复合路基在施工及服役期间力学性状的数值分析模型,通过分析路基中孔隙水压力、有效应力及无砂混凝土小桩侧摩阻力、桩身轴向应力的分布、发展规律,探讨了后处理复合路基中的荷载传递机理,为高填方后处理复合路基的优化设计提供理论依据.1无砂混凝土圆形桩设计结合工程实践,取底端宽53.5m,顶端宽28m,填方高度为8.5m的高填方路基中一段厚度为4m的代表性单元作为研究对象,运用ABAQUS有限元软件建立数值模型如图1(a)所示.计算模型的边界条件如图1(b)所示:底面固定,侧面约束水平向位移.原始地面及高填方表面为0孔压边界,后处理成孔后孔壁为0孔压边界,后处理结束后此孔压边界闭合.高填方底部铺设0.5m碎石垫层,先填方施工时每层填筑1m,耗时2a,相邻层间隔6a.高填方填筑到6.5m时进行后处理作业,耗时4a,形成的无砂混凝土圆形小桩,直径0.3m,间距2m,成正方形布置.小桩桩长为18.6m,向下依次穿越高填方中的填土层(6m)、碎石垫层(0.5m),原始地基中的粉质黏土层(2m)、淤泥土层(8.5m),进入下层黏土层(1.6m).后处理完成后继续进行后填方施工,每次填筑0.5m,耗时与先填方相同,直至填方到设计高度.填筑完成后在路基顶面施加10kPa路面荷载.笔者采用Mohr-Coulomb本构模型,根据工程地质勘察报告给出材料的相关参数见表1.2数值模拟分析2.1复合地基中超孔压的变化图2为从后处理到高填方施工结束以及公路投入使用1年期间路基中线上从原始地面到桩底深度段CD上的超孔隙水压力分布情况.图3给出了经后处理和未经后处理的工况下,从高填方施工开始到公路投入使用10年期间淤泥土层中点A点的超孔隙水压力及有效应力的变化曲线,其中以后处理开始为时间0点.图线中最后六个点按照时间顺序依次为施工结束后4个月、8个月、1年、4年、7年、10年后的超孔隙水压力.由图2、图3可以看出,后处理过程极大地消散了软弱层土体中的超孔隙水压力.后续施工过程中,由于孔压边界发生变化,加之后填方的堆载及桩土相互作用,土体中超孔压进行了重新分布,从曲线形态逐渐变化为线性形态,超孔隙水压力随后续施工过程呈现增长的趋势.公路投入使用后,随着时间的推移,土体中的超孔隙水压力又逐渐消散.2.2不处理的情况图4分别给出了路基中线上从先填方顶面到桩底深度段DG在后处理施工后、工程完工后及服役10年后的有效应力分布曲线,并分别与相同时间点不进行后处理的工况进行了对比.由图4可以看出,后处理过程能够明显提高软弱土层中的有效应力;工程完工后,小桩桩长范围内土体有效应力相对不处理情况要小,荷载被传至土体深部;土体中的有效应力随服役期间土体固结过程而提高,但总体上,后处理复合路基中有效应力小于不处理的情况,且分布形态也不相同.图5分别给出了先填方中点B、淤泥土层中点A以及桩底土层中点D的竖向有效应力在整个施工过程中的变化曲线,其中以后处理开始为时间0点.图线中最后六个点按照时间顺序依次为施工结束后4个月、8个月、1年、4年、7年、10年后的竖向有效应力.由图5可以看出,后处理过程能够明显提高渗透性较差且排水不畅的桩侧淤泥土层及桩端黏土层中的有效应力,而对于渗透性较好且排水通畅的填土层有效应力的提高效果不明显;后处理复合路基在后续施工中有效应力提高较不处理情况缓慢,这是复合路基中荷载传递方式改变的结果;后处理复合路基中填土层及淤泥土层中最终有效应力较不处理情况减小很多,而桩底土层最终有效应力与不处理情况接近,表明荷载通过复合路基作用传至桩底土层.2.3固结过程中桩侧摩阻力的变化后处理复合路基小桩桩距较大,群桩效应不明显,故笔者选取路堤中心区域一根小桩作为研究对象,探讨桩侧摩阻力及桩身轴向应力分布发展趋势.图6分别给出了从后填方施工到工程施工结束桩侧摩阻力及桩身轴向应力的分布形态及发展趋势.在后填方施工阶段,桩身位于填土内的部分主要受到负摩阻力的作用,自然地面以下部分主要受到正摩阻力作用,中性点位于自然地面附近.小桩桩顶有上刺入现象,桩土相对位移较大,故负摩阻力在桩顶最大,沿桩身向下逐渐减小.正摩阻力自中性点向下逐渐增大.随着后填方施工过程的进行,正摩阻力和负摩阻力均随之增大,桩身应力也相应增长,中性点稍有下降.桩端持力的黏土层中桩侧摩阻力随着填方过程的进行逐渐发挥出来.图7分别给出了工程施工结束到公路服役十年期间桩侧摩阻力及桩身轴向应力的分布形态及发展趋势.固结过程对于桩侧摩阻力及桩身轴向应力的作用与填方施工不同.填土中超孔压消散很快,固结对于填土中桩身所受负摩阻力作用不明显,仅局限于靠近中性点的部分,负摩阻力随着固结的进行而增大.自然地面以下土体中,特别是排水不畅的淤泥土层中,超孔压随着固结过程的进行逐渐消散,引起该层土中桩侧正摩阻力下降,桩身轴向应力上升,中性点下移;在持力的黏土层中,正摩阻力随着固结过程的进行而不断上升.图8给出了施工及服役期间小桩桩端轴向应力变化曲线.可以看出,桩端阻力随着后填方施工过程和工后土体固结过程均呈现逐渐上升趋势,最终趋于稳定.3土体式正摩阻力段根据以上对于复合路基在整个施工及服役过程中超孔隙水压力、竖向有效应力以及小桩桩侧摩阻力、桩身轴向应力的分布及发展规律可推知,填土中(桩身负摩阻力区段)荷载传递主要是桩间土将自身所受荷载以负摩阻力的形式传给小桩进行下传.填方下的土体中(桩身正摩阻力区段)荷载传递主要是桩体将上部传下来的荷载一部分传给桩端土体,导致端阻力上升,另一部分以正摩阻力的形式传给桩间土.由于桩间土体含有孔隙水,且孔隙水在短时间内难以很快消散,故后填方施工阶段桩传给土体的荷载首先由孔隙水承担,在后填方施工过程中孔隙水压力上升、土体有效应力增长缓慢.待施工完成后,原来土体中承担桩传来荷载的孔隙水压力随着时间的增长逐渐消散,消散的荷载一部分由土体骨架承担,土体中有效应力显著增长;另一部分通过桩身继续下传,持力黏土层侧摩阻力增大,端阻力也有所增大.从总体上看,后处理复合路基将先填方及后填方的荷载通过小桩传至地基深层土体,减小了填方承担的荷载,进而减小了填方的沉降变形,优化了高填方路基中的传力路径.4高填方后处理复合地基中桩侧和下土层正摩阻力随固结时间的变化.(1)后处理技术在其成孔阶段能够迅速消散软弱土层中的超孔隙水压力,提高土体有效应力,加快土体的固结沉降.(2)后处理复合地基中的桩体在填土层中主要受负摩阻力作用,在软土层及其下土层中主要受正摩阻力作用.正摩阻和负摩阻随填方施工而增大,施工完成后桩周软弱土层正摩阻力随土体固结而减小,桩端土层正