王昕杰
摘要 軟土工況在道路工程施工中普遍存在,對地基的強度、剛度有較大的影響,軟土地基在汽車荷載作用下容易變形。某新修路段有軟土地基,在施工場地采取了真空預壓加固處理,工程完工后一段時間,路面產(chǎn)生了明顯的波狀沉降?;诖耍恼乱攒浲谅坊こ虒嵗秊檠芯繉ο?,建立了“波浪”沉降理論模型,并在此基礎(chǔ)上通過力學分析,明確了路基“波浪”沉降特征與車輛荷載的相關(guān)性;根據(jù)軟土路基“波浪”沉降變形的特征,提出軟土路基上應用土工格柵進行加固,以控制軟土路基的沉降變形。
關(guān)鍵詞 軟土地基;波浪變形;土工格柵;加固措施
中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949(2022)13-0157-03
0 引言
隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展,交通負荷日益增加,道路的損壞問題也隨之而來,路基的不均勻沉降會對路面造成嚴重的破壞,從而影響行車速度、安全和舒適性。軟土路基沉降影響路基、路面的結(jié)構(gòu)整體性,如:易引起路面開裂、凸起等病害[1]。該文通過建立路基的力學模型,對其成因進行了分析,并對路基加固進行了優(yōu)化與改進。
1 軟土路基變形分析
(1)在軟土路基工程施工的過程中,控制路基變形非常關(guān)鍵,根據(jù)沉降發(fā)生的歷史時間點,可以將路基沉降劃分為瞬間沉降和累積沉降,其中累積沉降可以分為兩大類型:次固結(jié)沉降和固結(jié)沉降[2]。同時,在軟土路基上也會發(fā)生不可逆的塑性形變,從而給路基帶來永久的損壞。
(2)該工程的軟土路基,雖然采取了真空預壓加固法,但整體的承載力仍然不能滿足實際的運營需求,在完工之后,路基相繼發(fā)生了“波浪”形沉降,最大峰值落點達到100 mm。
2 超軟土道路地基波浪變形機理
(1)軟土道路建成通車后,由于車輛荷載與路面層自身重量的耦合作用,導致軟土路基產(chǎn)生“波浪”形沉降。
(2)當汽車在“波浪”形變的波峰或谷點時,相應的軟土路基荷載響應如圖1所示。
(3)在“波浪”形變路面選取特征點A、B、C、D、E,假定車輛行駛速率為v,車輛重度為G,車輛輪胎受路面反作用力Fn,車輛離心力f,車輛自重與路面法向夾角值θ。根據(jù)離心力計算公式,可得輪胎反作用力Fn計算公式。
(4)AB段與DE段車輛做近似圓周運動的離心力方向向上,由圖1受力分析可得出路面反力為:
(5)BC段與CD段車輛離心力方向向下,因而路面反力為:
式中,m——車輛的質(zhì)量;R——路面圓周曲線半徑。
(6)結(jié)合式1、2和圖1,可以看出,AB段的輪胎反作用比BC段小,在谷點處,車輛的沖擊變形比峰值位置要大;從DE和CD段的反作用,也可驗證出反作用力的結(jié)論。
(7)BC段:車輛通過B點到達C點,如式2所示,隨著車速的提高,汽車的自重和道路的法向角θ逐漸減小,相應的輪胎反作用力Fn隨之增大,在汽車行駛到“波形”段時,路面受到的影響最大,相應的塑性變形也較大。
(8)CD段:在車輛到達C處時,對應的瞬間速度最大;由式2可以看出,當車速下降時,汽車重量與路面法向角θ會逐漸增大,相應的輪胎反作用力Fn會隨之下降,因此,在谷底時,路面的動態(tài)載荷最大,谷底處的殘余變形最大。
(9)軟土路基波浪形變機理:1)在道路建設(shè)初期,由于路面的非均勻沉降,使路面產(chǎn)生初始波形;2)初始缺陷和不同尺寸的車輛負載,使得路面的起伏程度持續(xù)加重[3]。
3 減小不均勻沉降的措施
從軟土路基“波浪”沉降的變形機制可以看出,“波浪”的破壞應該以早期破壞為基礎(chǔ),并為今后的軟土路基加固和修補指明了一個新的思路[4]。
3.1 軟土路基加固常用方法
(1)換填法:軟土路基采用換填法,可在原有路基上采用挖掘機對軟土和淤泥進行清除,并選擇適當?shù)牟牧线M行回填壓實。
(2)拋石擠淤法:采用拋石擠淤的方法,通過石頭的擠壓作用,使軟土路基得到強化處理。以石頭代替淤泥是一種置換方法,它可以徹底地改善軟土路基的特性,提高其穩(wěn)定性;在合理的尺度下,一般選擇5~40 cm的尺寸,并確保浸泡后的片石強度至少為20 MPa;在拋料時,首先利用大顆粒石頭進行預擠壓,然后由大型挖掘機和其他履帶式機械進行碾壓,保證其具有基本的穩(wěn)定性。
(3)水泥攪拌樁法:
1)采用深攪拌器進行水泥攪拌樁的施工,將地基和混凝土中的泥土充分混合,從而在軟土中產(chǎn)生粘接效應。再將其與周邊軟粘土混合,從而構(gòu)成具有高強度的水泥攪拌樁;
2)水泥攪拌樁是一種較好的軟土路基處理方式,在樁底2~4倍直徑處,可使攪拌樁獲得最大的軸向載荷,當樁長小于7 m時為水泥攪拌樁的最大軸向載荷。因而,在樁頭以下2~4倍樁徑處,樁體的軸力較大,提高了樁體的承載能力。
(4)其他處理方法:采用反壓護道法、預應力管樁法、高壓旋噴法等。反壓護道法是指在道路兩旁填筑較大的反壓力和較厚的土層,以避免軟土路基發(fā)生剪切與滑移的現(xiàn)象發(fā)生;高壓旋噴樁是采用旋噴、定噴、擺噴三種方法對軟土、沙土和淤泥質(zhì)土進行加固。
3.2 分析選用的軟土路基加固方案
(1)該工程使用周圍的塊石作為換填材料,在換填完畢后,其承載能力和變形相對較小;為了改善路面的承載力和降低路面沉降,可以將上部的荷載傳遞到下臥層。
(2)對軟土路基的變形原理進行了深入的研究,并建議對軟土路基應用土工格柵進行加固,以改善其承載力和變形剛度。通過實際應用證明,采用土工格柵加固后的軟土地基,其承載能力得到了明顯的改善。
(3)在軟土路基上,由于采用了土工格柵的約束,其摩阻力有明顯增大,土層間的抗剪性能力也有明顯增大,并能有效地防止土的橫向變形[5]。
(4)在路基和路面層之間增加土工格柵,可明顯改善路基的整體強度和抗變形剛度,防止裂縫現(xiàn)象的發(fā)生,降低路基、路面層的鋪層厚度。
(5)增加土工格柵可以減弱土壤的剪切破壞,從而對軟土路基的可塑性變形進行控制。
3.3 土工格柵加固超軟土路基效果的有限元分析
為了論證土工格柵加固超軟土路基的加固效果,建立有限元模型,進行計算分析。
3.3.1 計算模型
(1)采用Abaqus軟件對加增土工格柵的軟土路基,進行了有限元計算。
(2)采用Membrane單元對不能進行變形的土工格柵進行模擬,以符合實際工程的要求。
(3)采用摩爾—庫倫模型,對軟土、礫巖層進行了數(shù)值模擬[6]。
(4)在土工格柵、軟土間加入有限元計算,以提高模型模擬的準確性。
(5)基于線彈性本構(gòu)關(guān)系,模擬土工格柵。
3.3.2 計算參數(shù)
為獲得精確的本構(gòu)關(guān)系,并進一步改進有限元數(shù)值計算的精度,在施工現(xiàn)場進行了原狀土的實驗,其力學參數(shù)如表1所示。
3.3.3 荷載
有限元模型中,以平面載荷取代車輛載荷,以均勻載荷計算路基基礎(chǔ)構(gòu)件的自重[7]。
3.3.4 有限元計算結(jié)果
(1)模擬結(jié)果:
1)比較常規(guī)軟土路基、加鋪土工格柵軟土路基時的應力與變形,以確定其土工格柵的加固效果[8];
2)圖2所示為土工格柵的應力云圖,而圖3所示為一般的軟土路基上的應力云圖;
3)比較結(jié)果表明:在土工格柵的布置下,可以使載荷的分配方式得到最優(yōu),從而達到應力的擴展;應力等級會減小,證明了土工格柵的作用。
(2)位移模擬:圖4、圖5顯示了兩種情況下,在常規(guī)軟土路基與增加土工格柵軟土地基上,進行豎向位移的計算,結(jié)果表明:土工格柵對路基垂直位移有顯著的抑制作用,兩者之間的位移差大于25 mm,充分證明了土工布格柵對地基垂直位移的限制作用。
4 結(jié)論
為了減少路基不均勻沉降,提高路面品質(zhì),必須做到早發(fā)現(xiàn),早預防,早處理,并及時采取有效的補救辦法,以確保路面能夠經(jīng)受車輛的多次荷載和沖擊,保障道路交通的安全運營。通過對軟土路基“波浪”形沉降的機理、加固工藝的研究,得出了如下結(jié)論:
(1)在軟弱路基條件下,路基初期的沉降缺陷是造成軟土路基“波浪”形沉降的原因,在車輛的連續(xù)行駛下,“波浪”形沉降的峰值和谷差逐漸增大,最后造成路面開裂、凸起,嚴重影響路面的正常行駛[9-10]。
(2)從離心力的計算公式可以推導出“波浪”路面上各種特征點的荷載計算公式,利用此公式可以求出在波峰和波谷的沖擊效應。
(3)利用土工格柵進行加固,可以解決軟土路基初期沉降的問題,從而從根源上對“波浪”形沉降進行有效的控制與約束。
(4)利用有限元分析軟件,比較了兩種不同工作狀態(tài)下的路基受力情況,并與常規(guī)軟土路基進行了比較。比較結(jié)果表明增設(shè)土工格柵可以提高軟土路基的承載能力,優(yōu)化載荷形式,提高了路面的抗壓能力。
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