謝雨廷，賈 璐，曾 鵬，陳中原

(1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210029；2.淮安市水利工程建設(shè)管理服務(wù)中心，江蘇 淮安 223001；3 衡陽(yáng)北控水資源管理有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)差異沉降控制開(kāi)展了大量研究，但大部分研究?jī)H進(jìn)行數(shù)值模擬工作[1-13]，模型的合理性未得到有效驗(yàn)證，或僅開(kāi)展原位觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析[14]，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究甚少[15]。此外，大多研究針對(duì)高速公路工程中的拓寬路基差異沉降問(wèn)題[2-10，15]，針對(duì)堤防道路拓寬工程的研究相對(duì)較少[11-13]。在土工格柵數(shù)值模擬方面，目前存在筋-土相互作用特性模擬效果不佳等問(wèn)題，左建忠等[16]提出PLAXIS與OPTUM兩種有限元軟件中土工格柵界面參數(shù)的等效轉(zhuǎn)換方式，但未對(duì)筋-土相互作用下的沉降發(fā)展規(guī)律進(jìn)行深入研究。為較好結(jié)合工程實(shí)際，有必要將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)于堤防道路拓寬工程中的差異沉降問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)研究。

本文以洪澤湖堤路結(jié)合工程為例，通過(guò)數(shù)值模擬加寬培厚堤防沉降發(fā)展規(guī)律提出差異沉降控制方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)后續(xù)施工安排。研究思路可為該地區(qū)類似堤路結(jié)合工程差異沉降控制提供參考。

1 工程概況

根據(jù)洪澤湖迎湖擋洪堤加固工程勘察資料，淮陰區(qū)某標(biāo)段堤基下部分布著厚度>6.0 m的淤泥質(zhì)軟土層，新老堤結(jié)合處的差異沉降是潛在的巖土工程問(wèn)題，因此選取該標(biāo)段軟土段作為典型堤段開(kāi)展研究。該標(biāo)段為迎水側(cè)加高培厚堤段，設(shè)計(jì)堤頂標(biāo)高為17 m，堤頂路面總寬10 m，路肩以1∶3坡度向兩側(cè)延伸，在迎水側(cè)標(biāo)高14 m處設(shè)置10 m寬防汛平臺(tái)，防汛平臺(tái)以1∶10坡度向湖區(qū)延伸，背水側(cè)填塘固基，寬度20 m、高2 m，斷面形態(tài)如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，試驗(yàn)堤段土層分布及部分土性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 典型斷面示意圖(單位：m)

表1 典型斷面土層分布情況

2 數(shù)值模擬與加固方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模擬工況劃分

根據(jù)典型斷面施工填筑方案與地勘資料，典型斷面②3層淤泥質(zhì)軟土性質(zhì)較差，為不均勻沉降的重點(diǎn)研究對(duì)象，因此分別對(duì)三種工況開(kāi)展數(shù)值計(jì)算分析，如表2所示。

表2 數(shù)值模擬工況劃分

2.2 模型設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)資料建立有限元數(shù)值模型，加培土與地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，土工格柵結(jié)構(gòu)采用Geogrid材料彈性模型，格柵鋪設(shè)寬度為10 m，極限抗拉強(qiáng)度為100 kN/m，格柵上下兩側(cè)單獨(dú)設(shè)置界面材料以模擬筋—土之間的應(yīng)力傳遞，為界面與相鄰?fù)馏w定義一個(gè)折減因子Ri，界面的部分參數(shù)定義如式(1)～式(4)：

ci=Ric0

(1)

φi=Ritanφ0

(2)

Ei=2Gi(1+2vi)

(3)

Eoed，i=2Gi(1-vi)/(1-2vi)

(4)

式中：ci為對(duì)應(yīng)界面的黏聚力，kPa；Ri為折減因子，取0.7；c0為與格柵相鄰?fù)馏w的黏聚力，kPa；φi為對(duì)應(yīng)界面的內(nèi)摩擦角，(°)；φ0為與格柵相鄰?fù)馏w的內(nèi)摩擦角，(°)；Ei為對(duì)應(yīng)界面的彈性模量，MPa；Eoed，i為壓縮模量，MPa；Gi為界面的剪切模量，MPa；vi為界面泊松比為，取0.45。

假設(shè)路堤堆載期為180 d，共分為5級(jí)加載，每級(jí)厚度1 m，加載完成后60 d進(jìn)行路面鋪筑，施工期為30 d，路面鋪筑完畢60 d后通車，交通荷載等效簡(jiǎn)化為16 kPa均布荷載。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)，本工程瀝青混凝土路面使用設(shè)計(jì)年限10 a，工后沉降計(jì)算為自瀝青路面施工結(jié)束起10 a，因此沉降發(fā)展計(jì)算時(shí)間為3920 d。為盡量減小網(wǎng)格分布密度導(dǎo)致的計(jì)算誤差，模型采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，土工格柵采用5節(jié)點(diǎn)單元，并適當(dāng)加密附近網(wǎng)格。為對(duì)比不同工況的新老堤差異沉降，選取新堤中心、迎水面路肩下原地表位置作為特征點(diǎn)，填筑過(guò)程如圖2所示，以工況2為例，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 新堤填筑過(guò)程

圖3 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4為三種工況下最終沉降云圖，工況1與工況2最大總沉降分別為423.4 mm和416.9 mm，均位于新堤表面距迎水側(cè)路肩3.6 m處。工況3最大沉降位置向路中心移動(dòng)，最大總沉降值為353.1 mm，相比于工況1減小70.3 mm。圖5為三種工況下特征點(diǎn)位置的沉降發(fā)展過(guò)程，工況1堤中心與迎水面最終沉降分別為380.8 mm和330.0 mm；工況3堤中心與迎水面最終沉降分別為329.0 mm和271.4 mm，相比于工況1分別縮減了51.8 mm和58.6 mm；而工況2堤中心與迎水面最終沉降分別為369.7 mm和328.4 mm，相比于工況1沉降僅減小11.1 mm和1.6 mm，量值較小。結(jié)合以上數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析可知，經(jīng)淺層換填處理后地基壓縮特性發(fā)生變化，因此堤頂總沉降明顯減小。土工格柵加筋工況下地基壓縮特性未改變，僅改變附加應(yīng)力分布，因此在本工況下土工格柵加筋對(duì)特征點(diǎn)處的總沉降控制影響較小。

圖4 最終沉降云圖

圖5 沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果

取老堤表面迎水側(cè)坡面為新老堤結(jié)合面，研究結(jié)合面沉降規(guī)律與土工格柵的作用特性，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示，工況2鋪設(shè)土工格柵的位置沉降減小較明顯，這是由于格柵具有較高的抗拉強(qiáng)度和張拉模量，能將荷載和應(yīng)力較均勻地?cái)U(kuò)散到較大的面積范圍內(nèi)，而位于下部的土工格柵承擔(dān)的加培土自重應(yīng)力最大，因此協(xié)調(diào)變形作用最為明顯，對(duì)于工況3，由于換填處理后堤身整體沉降顯著減小，結(jié)合面沉降隨之減小。

圖6 新老堤結(jié)合面沉降

為研究沉降變形對(duì)工程建設(shè)通車后的影響，因此重點(diǎn)關(guān)注工后沉降的發(fā)展規(guī)律與工后差異沉降。路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)完成后堤中心和迎水面工后沉降如表3所示，工后差異沉降分別為45.8 mm、38.5 mm和25.5 mm，淺層換填處理和土工格柵加筋后的工后差異沉降相比于天然堆載分別可減小20.3 mm和7.3 mm，兩種措施均能控制新老堤之間的工后差異沉降，在本工程中淺層換填處理的控制效果更明顯。

表3 工后沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果 mm

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，土工格柵加筋處理通過(guò)改變地基附加應(yīng)力狀態(tài)協(xié)調(diào)新老堤變形，不能減小加培堤最大總沉降，僅能一定程度上控制新老堤工后差異沉降，而淺層換填處理改變了地基的壓縮特性，該措施不僅能有效控制加培堤整體沉降水平，同時(shí)能較明顯地減小新老堤工后差異沉降，優(yōu)于臺(tái)階加筋措施。

2.4 差異沉降控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在本工程三種工況下工后沉降均可滿足規(guī)范要求，結(jié)合本工程實(shí)際情況，應(yīng)用以上兩種差異沉降控制方案對(duì)該堤段軟土段進(jìn)行處理：

(1)土工格柵加筋。加培堤填筑至13 m高程時(shí)，對(duì)試驗(yàn)段沿堤防縱向50 m范圍內(nèi)的現(xiàn)狀堤防進(jìn)行臺(tái)階開(kāi)挖，臺(tái)階寬度1 m，高0.3 m，在相隔兩個(gè)臺(tái)階平面鋪設(shè)三向土工格柵，即兩層土工格柵相隔0.6 m左右，共鋪設(shè)5層，對(duì)應(yīng)工況2。

(2)淺層換填。對(duì)試驗(yàn)段新堤以下深度3 m的軟土層進(jìn)行清除，選用填筑土料分層回填至地表，振動(dòng)壓實(shí)，對(duì)應(yīng)工況3。

3 原型試驗(yàn)及沉降監(jiān)測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)安排

根據(jù)前文提出的差異沉降控制方案，分別選取典型堤段的K1+000、K1+500和K1+600斷面作為試驗(yàn)斷面，其中K1+000和K1+600斷面分別采取淺層換填和土工格柵加筋處理，K1+500斷面不采取任何加固措施，并分別在試驗(yàn)斷面的新堤中心和迎水側(cè)路肩位置開(kāi)展表面沉降監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)自填筑前50 d開(kāi)始，至填筑完成后20 d，總歷時(shí)270 d。圖7為監(jiān)測(cè)歷時(shí)內(nèi)試驗(yàn)斷面堤中心和迎水面沉降隨填筑高程的變化情況，填筑期內(nèi)試驗(yàn)斷面最大沉降速率分別為2.1 mm/d、2.3 mm/d、1.4 mm/d，均未超過(guò)10.0 mm/d的監(jiān)測(cè)預(yù)警值，其中在填筑期間，沉降速率逐漸增大，達(dá)到恒載后沉降發(fā)展穩(wěn)定，曲線趨于平緩。

圖7 地表沉降隨填筑變化

3.2 模型合理性驗(yàn)證

選取填筑期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8～圖10所示，K1+600斷面實(shí)測(cè)沉降小于K1+000和K1+500斷面，且小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分析其原因可能是實(shí)際堤防縱向土層分布的不均勻性等復(fù)雜因素，使該斷面的數(shù)值模型難以準(zhǔn)確反映實(shí)際沉降水平，而其余兩個(gè)斷面實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果規(guī)律一致，沉降曲線大致吻合，量值偏差較小，數(shù)值計(jì)算結(jié)果整體上能較好地反映實(shí)際土體的變形規(guī)律，具有良好的合理性。

圖8 K1+500斷面數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖9 K1+600斷面數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖10 K1+000斷面數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

3.3 后期進(jìn)度分析

填筑完成后實(shí)測(cè)沉降趨于平緩，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)本堤段后續(xù)施工進(jìn)度節(jié)點(diǎn)提供建議，選取路面結(jié)構(gòu)層施工完畢后60 d開(kāi)放交通，此時(shí)剩余沉降和差異沉降如表4所示，剩余沉降均<100 mm，差異沉降<45 mm，路面變形可控制在較低水平，該進(jìn)度安排基于數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果提出，通過(guò)前期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性，且較好地結(jié)合了本工程的實(shí)際情況，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。

表4 通車后剩余沉降與差異沉降 mm

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，土工格柵加筋處理對(duì)堤身總沉降幾乎沒(méi)有影響，但土工格柵可以改變地基的附加應(yīng)力分布，協(xié)調(diào)新老堤差異變形，且位于下部的土工格柵作用效果較為明顯；淺層換填處理后地基壓縮特性改變，沉降明顯減小，淺層換填工況工后差異沉降縮減至25.5 mm，小于天然堆載工況的45.8 mm和土工格柵加筋工況的38.5 mm，土工格柵加筋對(duì)新老堤工后差異沉降的控制作用弱于淺層換填處理。

(2)對(duì)典型堤段提出兩種差異沉降控制方案，對(duì)采取不同方案的斷面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)沉降發(fā)展規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果整體吻合程度較好，數(shù)值模型較好地反映了實(shí)際土體的變形規(guī)律，具有良好的合理性。選取填筑完成后60 d進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)工作，路面結(jié)構(gòu)層施工完畢后60 d通車，后期剩余差異沉降可控制在45 mm以內(nèi)，路面平整度較高，行車舒適性較好。

(3)本文采用有限元模擬方法和現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，有效地模擬了土工格柵處理的加筋效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本文提出的堤防加固工程差異沉降控制效果。研究成果可為后續(xù)類似地質(zhì)條件下的堤路結(jié)合工程差異沉降控制提供技術(shù)支撐和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。