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(1.成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 611433； 2.西南石油大學(xué), 四川 成都 610500)

如何保證軟土路基的穩(wěn)定一直是公路修筑的關(guān)鍵性技術(shù)問題[1-3]。對于高等級公路，軟土地基的處理往往十分重視，并有一系列成熟的成套解決方案[4-5]。但對于低等級公路，由于受限于投資及使用年限等問題，對其研究較少[6]。針對上述問題，本文提出換填法與加筋法相結(jié)合的軟土路基處理方法。利用有限元軟件ANSYS對其進行理論分析，并結(jié)合云南某三級公路實際應(yīng)用證明了其適用性。

1 有限元模型的建立

本文基于ANSYS有限元軟件進行仿真模擬分析。在建立有限元模型前，為了使仿真計算結(jié)果既符合實際工程情況又使研究問題得以簡化，需要對有限元計算進行簡化和處理[7]。本文對有限元模型進行了如下假設(shè)[8]：土工格柵、地基軟土及路基土均為各向同性、均質(zhì)；土工格柵為線彈性體；軟土及路基土為彈塑性體。對于填方路基而言，路堤土為經(jīng)過充分壓實后的土體，認為其已基本完成固結(jié)沉降[9]。邊界條件假設(shè)如下[10]：在路基的底部施加垂直和水平方向的約束，在兩側(cè)施加水平方向的約束。本文分別建立了加筋換填、加筋未換填及未加筋未換填3種不同條件的路基有限元模型。本次建立的仿真計算模型尺寸如圖1所示，其填土高度為5 m，填方坡比為1 ∶ 1，軟土的總厚度為10 m，其中1 m范圍內(nèi)利用加筋砂墊層進行處理。

圖1 有限元模型尺寸圖Figure 1 Finite element model size chart

本文采用的力學(xué)計算參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of the finite element model材料內(nèi)摩擦角φ/(°)彈性模量E/MPa粘聚力c/kPa重度 γ/(kN·m-3)泊松比砂墊層33.2547.500.0019.000.29路堤填土28.5043.7057.0018.620.29軟土地基3.171.337.6017.480.33

土工格柵的彈性模量為1 850 MPa，泊松比為0.12，橫截面積為0.002 m2。

本文建立的有限元模型如圖2所示，該有限元模型共有1 050個單元，其中土工格柵的單元數(shù)量為24個。

圖2 本文建立的有限元模型Figure 2 The finite element model established in this paper

2 仿真計算結(jié)果分析

2.1 3種工況下路基的變形位移研究

本文分別對路堤自重作用下軟土地基的工后不均勻沉降及豎向位移進行模擬。其中未加筋未換填、加筋未換填和加筋換填的3種工況下的變形圖如圖3所示。

(a) 未加筋未換填

(b) 加筋未換填

(c) 加筋換填

根據(jù)3種工況下的變形云圖可知，在未進行任何處理的情況下，路基下沉非常明顯，軟土地基的變形最大，最大值為21 cm。加筋未換填的工況下，軟土路基的沉降有所減緩，最大值為16 cm。在加筋換填的工況下，軟土地基沉降值最小。因此可得，加筋換填法可以有效減緩軟土地基的變形，對路基進行加固。

圖4為3種工況下豎向位移圖。

由圖4可知，相對于未加筋未換填，加筋未換填的豎向位移有相對顯著的減小，說明了加筋對軟土地基的作用。分析對比加筋換填及未加筋未換填2種工況，可知加筋換填的路堤豎向位移明顯小于未加筋未換填時的豎向位移，加筋換填的最大豎向位移僅為14.9 cm。因此可知，加筋換填的處理方式增強了路堤的整體性，對減小豎向位移的作用非常顯著。

圖5為加筋換填和未加筋未換填2種工況下，距路基中線的距離與豎向位移之間的關(guān)系圖。由圖可知隨著距中線的距離不斷增大，路基的豎向位移不斷減小，且加筋換填后的最大豎向位移為15.5 cm，小于未加筋未換填的19 cm。加筋換填顯著增強了路基的整體性，有效約束了地基的豎向位移。

(a) 未加筋未換填

(b) 加筋未換填

(c) 加筋換填

圖5 兩種工況下路基豎向位移與路中線距離之間的關(guān)系圖Figure 5 Relationship between the vertical displacement of the subgrade and the distance between the midline of the road

2.2 3種工況下路基的水平變形位移研究

圖6為3種工況下的水平位移云圖。從圖中可以看出，加筋換填的水平位移最小，加筋未換填次之，未加筋未換填的水平位移最大。其中加筋換填后的最大水平位移為2.0 cm，而未采取任何措施的最大水平位移為2.5 cm，且加筋換填后的最大位移點比未采取措施的距離路面高程更大。從3種工況下的圓弧滑動面來看，加筋換填后的滑動面距離路面的高度最大，可以有效增大滑動面的抗滑力，提高路基的整體穩(wěn)定性。

(a) 未加筋未換填

(b) 加筋未換填

(c) 加筋換填

2.3 砂墊層厚度的選擇

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，砂墊層越厚，對軟土路基的處理效果越好[11-12]。但是這也意味著成本的增加，因此在考慮治理效果的同時，需要找出最經(jīng)濟的砂墊層厚度。本文基于ANSYS有限元軟件，研究了砂墊層厚度為50～200 cm時對軟土路基處理的效果圖。其相對應(yīng)的最大水平位移及最大豎向位移如圖7、圖8所示。

由圖可知，與預(yù)期效果一致，隨著砂墊層厚度的不斷增加，軟土路基的最大水平位移和最大豎向位移不斷減小。但由變化趨勢可知: 當(dāng)砂墊層厚度為50～150 cm之間時，最大水平、豎向位移減小的速率較快;當(dāng)砂墊層厚度為150～200 cm時，最大水平、豎向位移減小的速率較慢。因此取砂墊層厚度為50～150 cm較為合適。當(dāng)砂墊層厚度為100 cm時，最大豎向位移及最大水平位移分別為1.6 cm和9 cm，符合《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》要求[14]，因此推薦的砂墊層厚度為100 cm。

圖7 砂墊層厚度與最大水平位移之間的關(guān)系圖Figure 7 Relationship between sand cushion thickness and maximum horizontal displacement

圖8 砂墊層厚度與最大豎向位移之間的關(guān)系圖Figure 8 Relationship between sand cushion thickness and maximum vertical displacement

3 應(yīng)用實例

3.1 項目概況

本項目位于云南省怒江州境內(nèi)，其道路等級為公路三級，設(shè)計時速為30 km/h，汽車荷載等級為公路-Ⅱ級。路基路面寬度為7 m/8 m。其中該公路的K45+120～K56+800段位于軟土地基段，考慮到當(dāng)?shù)厍闆r及施工的便利性，本次砂墊層材料選用20%灰土、碎石、礦渣、礫石及粗砂等材料混合而成，加筋材料選擇雙向土工格柵?，F(xiàn)場施工照片如圖9、圖10所示。

圖9 雙向土工格柵的鋪設(shè)Figure 9 Laying of a two-way geogrid

圖10 砂墊層材料的施工Figure 10 Construction of sand cushion material

3.2 沉降觀測結(jié)果

為了檢測軟土地基的處理效果，需在路基填筑完成后至路面施工前對未采取換填加筋法路段和采取換填加筋法路段的路基變形沉降進行觀測。本工程每隔200 m設(shè)置一處觀測點，分別對左右兩側(cè)路肩及公路中心線的沉降進行記錄。本次沉降監(jiān)測得到大量數(shù)據(jù)，由于篇幅關(guān)系，本文選取了兩個較為典型的斷面：未采取換填加筋法的K50+200處及采取換填加筋法的K52+400處。以上述兩個斷面為例，對監(jiān)測結(jié)果進行分析。兩個斷面的觀測結(jié)果如表2所示。

表2 沉降觀測結(jié)果Table 2 Settlement observation resultscm觀測日期(月-日)K50+200處K52+400處左側(cè)土路肩沉降量道路中線沉降量右側(cè)土路肩沉降量左側(cè)土路肩沉降量道路中線沉降量右側(cè)土路肩沉降量04-242.472.382.470.250.230.2404-291.050.670.860.110.100.0905-031.621.711.430.190.180.1705-080.950.950.860.100.100.0905-180.760.950.950.080.100.1005-292.382.472.570.230.260.2506-090.760.760.950.100.090.1006-221.521.431.240.140.140.1407-054.093.904.560.420.400.4208-081.812.001.900.190.210.2008-280.670.760.760.090.080.0909-150.760.670.570.070.070.0910-010.760.860.760.080.090.1210-191.141.051.240.110.100.1012-151.051.141.240.110.120.13累計21.7621.6622.332.262.252.31

由表2可知，采用換填加筋法的路基沉降值約為未采用換填加筋法的10%，說明加筋換填法對于約束軟土地基沉降值的效果十分明顯。

3.3 沉降結(jié)果分析

為了研究沉降隨時間的變化，圖11為K52+400處道路中心線沉降值隨時間的關(guān)系圖。

圖11 沉降值與時間關(guān)系圖Figure 11 Settlement value versus time

由圖11可知，開始階段，沉降值隨著時間的變換增長較快，其原因為軟土地基受到外界荷載的作用，沉降值發(fā)展較快。但隨著施工的不斷推進，軟土地基發(fā)生固結(jié)作用，沉降值相對穩(wěn)定，隨著時間變化沉降值增加速度減緩。最終的沉降值小于24 cm，符合《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》[13]中規(guī)定的容許工后沉降值。

為了研究仿真計算的有效性，本文選取了11個斷面的左側(cè)土路肩、右側(cè)土路肩和道路中線處的沉降值。將有限元計算結(jié)果與實際測量結(jié)果進行比較分析，得到圖12。

圖12 有限元仿真計算與實測值結(jié)果分析圖Figure 12 Finite element simulation calculation and measured value analysis

由圖12可知，實測值與理論值之差為5～8.5 cm，可知基于ANSYS的仿真計算結(jié)果精度較高，有限元仿真計算結(jié)果可以指導(dǎo)實際施工。

4 結(jié)論

本文提出了換填法和加筋法相結(jié)合的處理軟土地基的方法，然后基于有限云軟件ANSYS進行了仿真模擬分析，最后基于云南某三級公路的施工，對換填法和加筋法的實用性進行研究。主要結(jié)論如下：

a.換填法和加筋法相結(jié)合的處理方式可以顯著提高軟土地基的地基承載力，極大地抑制路基的豎向位移及水平位移。

b.砂墊層厚度越厚，其治理軟土地基的效果越好，考慮到經(jīng)濟性，本推薦的砂墊層厚度為100 cm。

c.通過對比分析，基于有限元軟件ANSYS得到的仿真計算結(jié)果與實際工程的沉降值相差較小，有限元計算結(jié)果可有效指導(dǎo)實際施工。