李建雙，田愛哲

真空預(yù)壓對既有道路影響的對比分析

李建雙1，田愛哲2

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461，2.中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

應(yīng)用真空預(yù)壓法進(jìn)行軟基處理時，針對排水板打設(shè)深度、布置方式和壓力加載方式的不同對既有公路影響進(jìn)行對比分析，提出降低對公路樁基和路面影響的真空預(yù)壓布置形式。選擇不同排水板打設(shè)深度以及荷載加載方式進(jìn)行組合，并應(yīng)用有限元軟件對真空預(yù)壓處理效果和影響范圍進(jìn)行仿真分析。計(jì)算結(jié)果顯示，采用40 kPa抽真空荷載加41 kPa堆載預(yù)壓荷載的處理方案，產(chǎn)生的變形影響程度和距離相對最??；降低排水板打設(shè)深度并采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方案可以削弱對既有公路的影響。

軟基處理；真空預(yù)壓；既有道路；影響范圍；側(cè)向位移

0 引言

真空預(yù)壓法是一種有效的軟土地基處理方法，近年來該方法多用于機(jī)場、碼頭堆場、高速公路和新近吹填土地基處理[1-3]。真空荷載作用下，軟土地基會產(chǎn)生面向加固區(qū)的側(cè)向收縮變形，臨近的建筑物或構(gòu)筑物可能會受到影響，甚至發(fā)生工程事故[4-6]。因此，在真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)中，一方面需對影響區(qū)內(nèi)的相鄰建筑物或構(gòu)筑物采取相應(yīng)的安全保障措施；另一方面也需要對真空預(yù)壓的打板深度和荷載布置形式進(jìn)行優(yōu)化，從而避免危險的發(fā)生。本文依據(jù)工程實(shí)例對不同排水板打設(shè)深度和不同荷載施加方式對既有道路的影響進(jìn)行仿真分析。

1 工程概況

1.1 場址情況

某軟基處理場址與既有省級公路臨近，與道路管廊帶最近距離7 m。此省級公路為城市主干路，雙向6車道，公路采用直徑為40 cm的CFG樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理。軟基處理場址區(qū)域表層回填有素土，含有部分塊石，且埋深較大，插打排水板或進(jìn)行攪拌墻施工難度較大。進(jìn)行插板施工前首先需要對場址范圍內(nèi)開挖換填，部分區(qū)域需要開挖3 m深，開挖換填施工對既有道路管廊帶存在一定影響，因此在開挖換填前需進(jìn)行支護(hù)處理，支擋結(jié)構(gòu)采用高壓旋噴樁，支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的連續(xù)墻可作為真空預(yù)壓密封墻。

軟基處理場址與既有省級公路之間的隔離保護(hù)措施是否合理，能否保證真空預(yù)壓對公路的影響足夠小且不會產(chǎn)生過大損害，有必要進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 地勘資料及軟基加固方案

真空預(yù)壓區(qū)處理寬度25 m，處理斷面見圖1。處理時首先將場地整平至2.4 m標(biāo)高，然后打設(shè)支擋結(jié)構(gòu)。

圖1 地基處理斷面圖Fig.1Sectional drawing of foundation treatment

考慮最不利情況，選取一個軟土層厚度最大的斷面作為計(jì)算斷面，計(jì)算斷面土層參數(shù)如表1所示。

本文將選用不同的地基處理方式，對比分析不同方式下地基處理對既有道路的影響，這些處理方式包括工況一：真空預(yù)壓處理，靠近既有公路一側(cè)采用短排水板，長度為10 m，其它地方排水板為17 m；工況二：真空聯(lián)合堆載，真空壓力60 kPa，堆載壓力24 kPa，排水板17 m；工況三：真空聯(lián)合堆載，真空壓力50 kPa，堆載壓力33 kPa，排水板長度為17 m；工況四：真空聯(lián)合堆載，真空壓力60 kPa，堆載壓力24 kPa，靠近既有公路一側(cè)采用短排水板，長度為10 m，其它地方排水板為17 m；工況五：真空聯(lián)合堆載，真空壓力50 kPa，堆載壓力33 kPa，靠近既有公路一側(cè)采用短排水板，長度為10 m，其它地方排水板為17 m；工況六：真空聯(lián)合堆載，真空壓力40 kPa，堆載壓力41 kPa，排水板長度為17 m。

表1 計(jì)算斷面土層參數(shù)表Table 1Soil parameters of calculation section

2 仿真模擬計(jì)算

2.1 數(shù)值分析模型

根據(jù)表1地質(zhì)資料，使用大型商業(yè)軟件FLAC3D建立如圖2所示力學(xué)模型。

模型中考慮對稱性，只選取真空預(yù)壓區(qū)的一半和公路一側(cè)。由于管廊帶CFG樁為間隔2 m的正三角形布置，因而模型厚度取1 m，整個模型尺寸為100 m×40 m×1 m，CFG樁在模型正面和背面交錯布置，CFG按設(shè)計(jì)要求深入6-1粉質(zhì)黏土層1 m。圖2中Pile表示為真空預(yù)壓區(qū)和公路之間的支擋結(jié)構(gòu)，CFG_pile為快速路路基中的CFG樁，樁直徑40 cm，樁身進(jìn)入粉質(zhì)黏土1 m，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

圖2 真空預(yù)壓區(qū)力學(xué)模型Fig.2Mechanical model of vacuum preloading area

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 工況一

靠近既有公路一側(cè)10 m范圍內(nèi)采用長度為10 m的短排水板，其它地方排水板皆為17 m，由于不再具有對稱性，因而建立全力學(xué)模型。支擋結(jié)構(gòu)采用高壓旋噴樁，另一側(cè)的支擋結(jié)構(gòu)為黏土密封墻。計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 工況一地基沉降云圖Fig.3Foundation settlement contour of condition 1

由圖3可以看出，最大沉降發(fā)生在真空區(qū)中心遠(yuǎn)離10 m短板一側(cè)?？拷芬粋?cè)10 m內(nèi)采用10 m短排水板時，地基處理對既有公路的影響范圍為24 m，路管廊帶緊鄰真空區(qū)的CFG樁最大側(cè)向位移為12.2 cm，既有公路距真空區(qū)15 m處CFG樁最大側(cè)向位移為6.6 cm。

2.2.2 工況二

建立軸對稱力學(xué)模型，排水板長度為17 m。模型中堆載作為面荷載添加。真空壓力10 d時間達(dá)到60 kPa，然后保持不變，15 d后開始進(jìn)行堆載預(yù)壓，經(jīng)過10 d時間堆載達(dá)到24 kPa，保持110 d后卸載。計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 工況二地基沉降云圖Fig.4Foundation settlement contour of condition 2

由圖4可以看出真空預(yù)壓區(qū)中心表面沉降最大，往周圍和地基深處方向沉降逐漸減小。真空預(yù)壓區(qū)和非真空預(yù)壓區(qū)沉降存在明顯邊界，整個模型沉降最大值為2.27 m。最大側(cè)向位移發(fā)生在真空預(yù)壓區(qū)靠近支擋結(jié)構(gòu)附近，其值達(dá)到0.4 m。

采用全部長排水板并真空壓力60 kPa加堆載壓力24 kPa方案時，地基處理對既有公路的影響范圍為20 m，既有公路管廊帶緊鄰真空區(qū)CFG樁最大側(cè)向位移為8.3 cm，既有公路距真空區(qū)15 m處CFG樁最大側(cè)向位移為5.3 cm。

2.2.3 工況三

力學(xué)模型中排水板長度為17 m，采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法進(jìn)行地基處理，真空壓力為50 kPa，堆載壓力為33 kPa，真空壓力10 d時間達(dá)到50 kPa，然后保持不變，15 d后開始進(jìn)行堆載預(yù)壓，經(jīng)過10 d時間堆載達(dá)到33 kPa，保持100 d后卸載。

由計(jì)算結(jié)果得出真空預(yù)壓區(qū)中心表面沉降最大，整個模型沉降最大值為2.23 m。最大側(cè)向位移發(fā)生在真空預(yù)壓區(qū)靠近支擋結(jié)構(gòu)附近，其值達(dá)到0.44 m。

采用全部長排水板并真空壓力50 kPa加堆載壓力33 kPa方案時，對既有公路的影響范圍為15 m，既有公路管廊帶緊鄰真空區(qū)CFG樁最大側(cè)向位移為5.4 cm，既有公路距真空區(qū)15 m處CFG樁最大側(cè)向位移為3.3 cm。

2.2.4 工況四

力學(xué)模型中靠近既有公路一側(cè)10 m排水板采用長度為10 m短板，其它地方采用17 m長板。真空壓力10 d時間達(dá)到60 kPa，然后保持不變，15 d后開始進(jìn)行堆載預(yù)壓，經(jīng)過10d時間堆載達(dá)到24 kPa，保持110 d后卸載。計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 工況四樁基最大位移云圖Fig.5Maximum displacement of pile foundation of condition 4

由圖5可看出整個模型沉降最大值為2.17 m。采用長短排水板結(jié)合并真空壓力60 kPa加堆載壓力24 kPa方案時，對既有公路的影響范圍為1.9 m，既有公路管廊帶緊鄰真空區(qū)CFG樁最大側(cè)向位移為5.8 cm，既有公路距真空區(qū)15 m處CFG樁最大側(cè)向位移為2.0 cm。

由圖5可看出，靠近擋墻的幾根CFG樁側(cè)向位移有正有負(fù)，樁身發(fā)生了扭曲，這對CFG樁基的穩(wěn)定非常不利。

2.2.5 工況五

力學(xué)模型靠近既有公路一側(cè)10 m排水板采用長度為10 m短板，其它地方采用17 m長板。真空壓力10 d時間達(dá)到50 kPa，然后保持不變，15 d后開始進(jìn)行堆載預(yù)壓，經(jīng)過10 d時間堆載達(dá)到33 kPa，保持100 d后卸載。

計(jì)算結(jié)果可以看出整個模型沉降最大值為2.17 m。

采用長短板結(jié)合并真空壓力50 kPa加堆載壓力33 kPa方案時，對既有公路的影響范圍為8 m，既有公路管廊帶緊鄰真空區(qū)CFG樁最大側(cè)向位移為-7.7 cm，既有公路距真空區(qū)15 m處CFG樁最大側(cè)向位移為-3.1 cm。側(cè)向位移為負(fù)值說明土向既有公路方向運(yùn)動，靠近擋墻的幾根CFG樁樁身發(fā)生扭曲。

通過結(jié)果分析可以看出，長、短板相結(jié)合容易造成靠近擋墻的CFG樁發(fā)生扭曲，而真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法有助于削弱對既有公路的不利影響。

2.2.6 工況六

力學(xué)模型排水板長度為17 m，真空壓力10 d時間達(dá)到40 kPa，然后保持不變，15 d后開始進(jìn)行第一級堆載預(yù)壓，經(jīng)過10 d時間堆載達(dá)到25 kPa，保持5 d，然后進(jìn)行第二級堆載預(yù)壓，經(jīng)過10 d，堆載達(dá)到41 kPa，保持100 d后卸載。

由計(jì)算結(jié)果可以看出真空預(yù)壓區(qū)中心表面沉降最大，整個模型沉降最大值為2.17 m。最大側(cè)向位移發(fā)生在真空預(yù)壓區(qū)靠近支擋結(jié)構(gòu)附近，其值達(dá)到0.37 m。

排水板全部采用長板，真空壓力40 kPa，堆載壓力41 kPa時，既有公路管廊帶緊鄰真空區(qū)CFG樁最大側(cè)向位移為4.3 cm，既有公路距真空區(qū)15 m處CFG樁最大側(cè)向位移為2.5 cm，管廊帶和既有公路的側(cè)向位移都小于5 cm。

2.3 各方案對比分析

對排水板不同打設(shè)方式和不同荷載施加方式進(jìn)行對比，對比結(jié)果列于表2中。根據(jù)計(jì)算可知采用長短板結(jié)合方案對削弱真空預(yù)壓及真空聯(lián)合堆載預(yù)壓對既有公路的側(cè)向位移影響是有效的，從影響范圍和影響程度上均有明顯降低。

表2 不同排水板打設(shè)方式對既有公路的影響效果對比表Table 2Comparison of the effect of different setting modes of drainage plate on existing highway

在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓并采用長短板結(jié)合的方案時出現(xiàn)了CFG扭曲現(xiàn)象，對CFG樁基的穩(wěn)定不利，因而不建議在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓時采用長短板結(jié)合的方式打設(shè)排水板。

在對比分析不同壓力加載方式對公路影響時可知，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓對公路的不利影響普遍小于真空預(yù)壓的影響，而且真空壓力與堆載壓力越接近，對既有樁基礎(chǔ)和既有建筑物的不利影響越小。

3 結(jié)語

本文針對不同排水板打設(shè)深度、布設(shè)方式和荷載加載方式進(jìn)行了數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

1）采用長短板結(jié)合方案對削弱真空預(yù)壓軟基處理對道路的影響是有效的，從影響范圍和影響程度上均有明顯降低。

2）采用降低真空荷載、增加堆載預(yù)壓荷載的處理方式可有效降低軟基處理對公路樁基的影響，從影響范圍和影響程度上看對公路樁基的保護(hù)效果均比較明顯。

3）在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓并采用長短板結(jié)合的方案時出現(xiàn)了CFG扭曲現(xiàn)象，對CFG樁基的穩(wěn)定不利，不建議在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓時采用長短板結(jié)合的方式打設(shè)排水板。

4）采用40 kPa抽真空荷載加41 kPa堆載預(yù)壓荷載的處理方案，產(chǎn)生的變形影響程度和距離相對最小。

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Comparative analysis on the influence of vacuum preloading on the existing highway

LI Jian-shuang1,TIAN Ai-zhe2
（1.CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.No.1 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

When vacuum preloading method is used to treat soft foundation,the influence of the setting depth,layout mode and pressure loading mode of the drainage plate on the existing highway is analyzed and compared,a layout mode of vacuum preloading to reduce the impact of the pile foundation and pavement is put forward.We chosen the combination of different setting depth and loading modes of drainage plate used the finite element software to simulate the effect of vacuum preloading treatment and its influence range.The calculations show that the deformation and the influence distance are small by using the 40 kPa vacuum loading and 41 kPa surcharge load preloading.Reducing the depth of the drainage plate and using the vacuum combined surcharge preloading can weaken the influence to the existing highway.

soft foundation treatment;vacuum preloading;existing highway;influence scope;lateral displacement

U655.544.4；TU470

A

2095-7874（2017）08-0023-05

10.7640/zggwjs201708006

2017-04-12

2017-07-18

李建雙（1974—），男，天津市人，碩士，工程師，建筑工程（路橋）專業(yè)。E-mail：ljs111@163.com