丁烈梅，郭超祥

(1.山西交通职业技术学院 公路工程系，山西 太原 030609；2.山西交通职业技术学院 工程管理系，山西 太原 030609)

中低压缩性土地基桩承式加筋路堤时效性分析

丁烈梅1，郭超祥2

(1.山西交通职业技术学院 公路工程系，山西 太原 030609；2.山西交通职业技术学院 工程管理系，山西 太原 030609)

以某城际铁路为背景，采用有限差分软件FLAC3D建立三维流固耦合模型，对中低压缩性土地基桩承式加筋路堤的时效性进行对比分析，重点探讨了不加固和桩承式加筋两种工况下地基中超孔隙水压力、地基表面中心沉降和路堤坡脚水平位移随时间的变化规律。结果表明：采用桩承式加筋路堤可以有效控制中低压缩性土地基的路堤填筑施工变形和工后变形，防止地基在路堤填土荷载下发生失稳破坏。

道路工程；中低压缩性土；桩承式加筋路堤；时效性；超孔隙水压力；工后变形

0 引 言

桩承式加筋路堤具有施工速度快、沉降和不均匀沉降小、稳定性高和有效控制工后沉降等优点[1-2]，近年来在高速公路和铁路工程中得到了广泛应用。桩承式加筋路堤工作机理复杂，影响因素众多，国内外学者对其进行了许多研究[3-4]。桩承式加筋路堤的工作性状不仅与其组成有关，还与时间相关：路堤填筑过程中，地基中的超孔隙水压力逐渐增大，填筑完成后，随时间延长，超孔隙水压力逐渐消散，地基土发生固结变形，桩承式加筋路堤的工作性状也随之改变。

为研究桩承式加筋路堤的时效性，已有学者采用数值模拟和现场试验相结合的方式，建立数值模型进行了研究。J. HAN等[3]利用有限元软件分析了路堤填土高度、筋材抗拉模量和桩体模量对桩承式加筋路堤受力体系的影响；芮瑞等[5]基于现场试验建立了三维流固耦合模型，对桩承式加筋路堤和桩承式路堤的工作性状进行了对比分析；曹卫平等[6]建立了能考虑路堤填筑过程与地基土固结相耦合的土拱效应计算模型；孙彦峰等[7]采用有限元模型对无桩无筋、无桩加筋和设桩加筋3种工况进行对比研究，分析了路堤填土荷载下软基中超孔隙水压力随时间的变化规律，探讨了路堤变形、筋材拉力和桩土荷载分担比随地基土固结的变化规律；J.J.ZHENG等[8]采用流固耦合模型，通过对无桩无筋、无桩加筋和桩承式加筋3种工况进行对比研究，考虑路基侧向位移影响，分析了桩承式加筋路堤的作用机理及作用效果；D.T.BERGADO等[9]采用有限差分软件FLAC2D和FLAC3D对采用两种不同筋材进行加固的足尺路堤试验模型进行了变形分析，并与实测结果进行了对比；O.JENCK等[10]考虑桩土共同作用，分别建立三维单桩模型和全路堤断面模型，分析了完全排水条件下桩承式路堤的工作性状；J. HUANG等[11-12]分别采用二维和三维有限元流固耦合模型分析了路堤沉降及不均匀沉降、筋材拉力和超孔隙水压力随固结时间的变化规律，同时对软土模量、渗透系数、筋材抗拉模量、桩体模量和桩间距进行了参数分析。以上研究主要集中于桩承式加筋路堤在淤泥质土、泥炭土等软弱地基中的应用，加固效果明显，满足了软弱土地基上快速修筑路堤的需要，但对于桩承式加筋路堤在中低压缩性土地区的应用研究不多，有关其时效性的研究更少。

笔者通过建立数值分析模型，对采用桩承加筋路堤的某城际铁路试验段进行时效性分析，对比分析一次填筑和分层填筑两种填筑方式及不加固和设桩加筋两种工况下的地基中超孔隙水压力、路堤坡脚水平位移、路基表面中心沉降和桩体效率随时间的变化规律。

1 工程概况与数值建模

1.1 工程概况

试验段地基采用CFG桩+碎石加筋垫层进行加固，CFG桩桩端进入含砾粉质黏土层0.5 m，桩长3～6 m，桩径0.5 m，桩间距1.6 m，按正三角形布桩，桩顶设方形桩帽，桩帽尺寸为1 m×1 m×0.3 m(长×宽×高)，CFG桩桩体按C15混凝土强度进行配比，弹性模量为10 GPa，土工格栅抗拉强度不小于250 kN/m。

1.2 数值建模

数值建模采用有限差分软件FLAC3D。根据对称性，取半幅路基和单排桩影响范围进行分析，X方向计算宽度取36.0 m，Y方向计算宽度取1.4 m。路堤填土高3.6 m，碎石垫层厚0.5 m，路堤顶面宽6.4 m，底面宽12.0 m，地基土为14.5 m厚的粉质黏土，其中包括1.5 m厚的含砾粉质黏土夹层，下卧层为坚硬持力层，不考虑其变形。桩长5.5 m，桩间距1.6 m，桩径0.5 m，在碎石垫层中间位置设置土工格栅，桩体采用桩单元(pile)模拟，桩帽采用壳单元(shell)模拟，土工格栅采用土工格栅单元(geogrid)模拟。数值计算模型见图 1。

图 1 计算模型(单位：m)Fig. 1 Numerical model

为考虑地基土在路堤填筑期及填筑完成后的排水固结过程，采用流固耦合计算方法。力学边界条件为路基中心无侧向位移，右侧边界由于超出侧向位移影响范围，也不考虑其侧向位移，模型底面为固定边界。模型右侧和底部边界固结排水条件封闭，由于对称性，也不考虑路基中心处的自由水流动，因此仅设置地基表面为排水边界。

地基土和碎石垫层均采用实体单元进行模拟，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则；路堤填土也采用实体单元，屈服准则为理想弹性-塑性屈服准则。桩体和桩帽密度均取2 300 kg/m3，弹性模量取10.0 GPa，泊松比取0.25，土工格栅密度取200 kg/m3，弹性模量取0.5 GPa，耦合弹簧单位面积上的刚度为2.3×104kN/m2，与碎石垫层之间的摩擦角为38°，其他土层参数见表 1。

表 1 土层参数

2 影响因素分析

2.1 单元类型的影响

为验证采用pile+shell结构单元模拟桩+桩帽结构的合理性，通过建立不考虑排水固结过程的单桩模型，对分别采用结构单元和实体单元+接触面的数值模拟结果进行对比分析，如图2和图3。

图 3 桩身轴力对比Fig. 3 Comparison of axial force of pile

由图 2和图 3可知：不同填土高度下，两种计算模型的桩顶沉降和桩身压缩量的计算结果均吻合很好；两者桩身轴力沿深度分布的差异随填土高度的增加有所增大，最大差值发生在桩端，但不超过5 kN，填土高度不大于1.8 m时，二者吻合很好。上述分析表明可采用pile+shell单元替代实体单元+接触面来模拟桩+桩帽结构与土体的相互作用，从而极大简化计算模型，节省计算时间。

2.2 填筑方式的影响

路堤填土高度3.6 m，考虑两种填筑方式：一次填筑；分6层填筑，每层0.6 m，每层填筑完成后放置10 d，再进行下一层的填筑，如图 4。选取地基不加固工况进行填筑过程的影响分析，分别对地基中超孔隙水压力、路基中心沉降和路堤坡脚水平位移随时间的变化进行分析。

图4 路堤填筑过程Fig. 4 Embankment construction process

图 5为地基中最大超孔隙水压力变化曲线。

图5 最大超孔隙水压力变化曲线Fig. 5 Variation curve of maximum excess pore water pressure

由图5可见，路堤填筑期，一次填筑的最大超孔隙水压力pmax逐渐减小，而分层填筑的pmax呈阶梯状增大，固结60 d时，两种填筑方式的pmax已非常接近，差值仅为4.09 kPa；随固结时间增加，两种填筑方式的pmax均逐渐减小，差值也越来越小。填筑初期，pmax发生在地基表面附近，沿地基深度递减，随固结时间增加，pmax在逐渐减小的同时，所在位置也逐渐下移，并到达地基底部。

图 6为地基变形曲线。随固结时间增加，地基表面中心沉降均呈非线性增大，并逐步趋于稳定；固结时间为1 000 d时，一次填筑的沉降为76.92 mm，分层填筑的沉降为74.75 mm，相差也不大。一次填筑的路堤坡脚最大水平位移为17.72 mm，分层填筑时，水平位移随路堤填筑高度增加而增大，填筑完成时达最大值，为14.73 mm。随固结时间增加，地基中超孔隙水压力逐渐消散，地基土体回弹，坡脚水平位移均逐渐减小，并趋于稳定，一次填筑的路堤坡脚水平位移始终大于分层填筑。

图6 地基变形曲线Fig. 6 Curves of sub-grade deformation

综上所述，填筑方式对不加固工况下地基中最大超孔隙水压力的影响较大，最大差值达18.76 kPa，其次是对路堤坡脚水平位移的影响，而对地基表面中心沉降的影响最小。

3 数值模拟结果分析

采用分层填筑的方式，从超孔隙水压力、地基表面沉降和坡脚水平位移3个方面对比分析不加固和桩承式加筋两种工况下中低压缩性土地基的时效性。

3.1 超孔隙水压力

图7为两种工况下地基中超孔隙水压力变化曲线，可知超孔隙水压力随路堤填土高度增加而增大，填筑完成时均达到最大值，超孔隙水压力云图如图 8，其中不加固工况的最大超孔隙水压力为45.97 kPa，出现在地基表面下3.5 m深度处，而此时桩承式加筋工况的超孔隙水压力仅为15.75 kPa，出现在地基底部，远小于不加固工况，减小幅度达65.74%。

图 7 超孔隙水压力变化曲线Fig. 7 Variation curve of excess pore water pressure

图9为桩承式加筋工况下不同深度超孔隙水压力随固结时间的变化曲线。路堤填土荷载作用下，由于桩体与桩间土的刚度差异较大，桩顶沉降量小于桩间土沉降量，路堤荷载大部分通过桩帽和桩体传递到桩端，桩端区域附近附加应力明显增大，从而使桩端附近的超孔隙水压力比桩体加固深度范围内的明显增大。由于桩端未穿透压缩土层，分层填筑完成时超孔隙水压力随深度增加而增大，最大超孔隙水压力出现在地基底部，而桩体加固深度范围内超孔隙水压力不大，如图9。

图9 超孔隙水压力随深度变化曲线Fig. 9 Variation curve of excess pore water pressure changing with depth

3.2 地基表面沉降

图 10为地基表面中心沉降变化曲线。桩承式加筋工况下，由于竖向桩体和水平向格栅的共同约束作用，地基表面中心沉降始终小于不加固工况，随固结时间增加，桩承式加筋工况的沉降能较快趋于稳定。但总体而言，桩承式加筋对沉降的控制效果主要体现在路堤填筑期，对工后沉降的影响不大，固结60 d时的沉降差值为22.39 mm，仅稍小于固结1 000 d时的沉降差值26.71 mm。

3.3 坡脚水平位移

图11为路堤坡脚水平位移变化曲线。

图11 路堤坡脚水平位移曲线Fig. 11 Horizontal displacement curve at the embankment toe

由图11可知采用桩承式加筋措施可以大大减小路堤坡脚水平位移，由于竖向桩体和水平向格栅的共同约束作用，桩承式加筋工况下最大坡脚水平位移仅为7.92 mm，大大小于不加固工况的14.73 mm，减小幅度达46.2%。固结1000 d时，桩承式加筋工况的坡脚水平位移仅为3.25 mm，而不加固工况为8.27 mm。

4 结 论

1)在FLAC3D数值模型中采用pile+shell结构单元可以较好地模拟桩+桩帽与土体的相互作用，进而极大简化计算模型，节省计算时间。

2)路堤填筑过程对地基中超孔隙水压力和地基变形影响较大，为使模拟结果接近工程实际，需考虑路堤填筑过程的影响。

3)采用桩承式加筋路堤可以有效控制中低压缩性土地基的路堤填筑施工变形和工后变形，防止地基在路堤填土荷载下发生失稳破坏。

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(责任编辑：谭绪凯)

Time-Dependent Behavior of Geosynthetic-Reinforced and Pile-Supported Embankment of the Soil with Medium-Low Compressibility

DING Liemei1, GUO Chaoxiang2

(1.Department of Highway Engineering, Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan 030609, Shanxi, P. R. China; 2.Department of Engineering Management, Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan 030609, Shanxi, P. R. China)

A three-dimensional coupled mechanical and hydraulic model was built by using the finite-difference continuum program (FLAC3D) based on an inter-city railway. The comparison analysis of the time-dependent behavior of the GRPS embankment of the soil with medium-low compressibility was carried out. The variation rule of excess pore water pressure, settlement at the center of sub-grade surface, and horizontal displacement at the embankment toe changing with the time under the condition of the unreinforced ground and the ground reinforced with GRPS were elaborated in detail. The results show that GRPS could effectively control the ground deformation of soil with medium-low compressibility during and after the embankment construction, which prevents the failure and instability of foundation under the embankment load.

highway engineering; soil with medium-low compressibility; geosynthetic-reinforced and pile-supported embankment; time-dependent behavior; excess pore water pressure; post-construction deformation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.08

2015-12-23；

2016-10-08

丁烈梅(1971—)，女，山西晋中人，副教授，主要从事路基路面工程方面的研究。E-mail:sxjt_jgc@126.com。

U213.1

A

1674- 0696(2017)05- 040- 05