浅析碎石桩处理岛状多年冻土公路地基效果

浅析碎石桩处理岛状多年冻土公路地基效果

柳黎

中建二局第三建筑工程有限公司北京100070

摘要：以吉黑高速北安至黑河段改扩建工程为工程依托，根据研究区的气候特征、水文地质条件、工程地质条件等，以加速融化冻土为设计原则，对多年冻土路段地基采用碎石桩处理,先破坏冻土地基，再融化冻土地基。通过有限元模拟碎石桩处理融土地基，对路基变形和地基沉降进行分析。结果表明：未经碎石桩处理的融土地基沉降达到了108.7cm,碎石桩处理过的融土地基沉降为38.7cm。碎石桩处理过的融土地基，其路表面的不均匀沉降相对未处理的融土地基减小了3.9cm。

关键词:冻土；碎石桩；有限元；地基沉降

1引言

随着全球气温的升高，黑龙江省北部区域的冻土逐渐由连续分布退化成岛状状态。冻土的退化将会引起一些道路病害问题。张震国[1]通过结合flac3d进行反演和数值模拟分析，比较碎石桩处理过的地基和未处理地基的沉降效果，得出碎石桩加强了地基承载力，减小了沉降姜利[2]以前嫩公路某段为研究对象，分析融沉产生的原因及影响因素，对多年冻土区融沉处理形式采用碎石桩的处理方式，碎石桩能有效地减小和避免地基融沉的发生。孟海伦[3]利用ABAQUS有限元软件对岛状多年冻土碎石桩复合地基沉降进行分析，得出了碎石桩处理的地基能有效地降低沉降，减小不均匀沉降。因此为了保证道路路基的稳定性，此工程采用碎石桩处理冻土地基的方式，通过碎石桩破坏冻土加速融化，从而加固地基，提高其地基承载力，较小沉降。

2概述

2.1工程背景

研究区位于北安至黑河高速公路K161+440路段，根据研究区进行钻探取出的土样，可知其钻探结果为0~3米为回填土，3~5.5m为草炭土，5.5~7.4m为含砂泥岩，7.4~9.2m为泥质砂岩，9.2~11.5m为泥岩。地质勘探可以知道冻土的上下限分别是3.5m、10.5m，其最大厚度为7m。根据钻探可以知道不同土层的厚度，这为下一节的数字模拟建立几何模型图提供了依据，保证了模型的准确性。根据钻探结果绘制K161+440路段的工程地质剖面如图1所示：

图1K161+440路段的工程地质剖面图

2数值模拟

2.1计算模型

岩土的本构关系[4-5]并不是简单的线性关系，而是复杂的非线性，岩土体的变形并不是单一的弹性或者塑性变形，而是先发生弹性变形，应力达到屈服应力后发生塑性变形，最后达到抗剪切强度后岩土体被剪切破坏。为了数值模拟加宽扩建路基工程更接近工程实际情况，根据勘探的结果，以K161+440路基断面的几何形状、岩土层界线以及冻土上下限位置为依据建立几何模型，且本工程是旧路改建扩宽，为了简化模型，不考虑旧路对新路的影响，其如图2所示：

图2模型的几何断面图

模拟计算过程中采用d-p[6]屈服准则和相关联流动法则的理想弹塑性模型。模型的路堤部分采用四节点双线性平面应变四边形单元，地基部分采用四节点平面应变四边形单元。模型左右两侧只有水平边界固定，下部水平与竖直边界均固定。荷载为了更加符合施工过程采用逐级砌筑。

2.2计算参数

路堤结构由砂砾和路堤填土构成，其中路堤填土采用D-P弹塑性模型，地基结构由路堤填土，砂垫层，草炭土，含砂泥岩，泥质砂岩以及泥岩构成，且除砂垫层外都用D-P弹塑性本构模型。材料属性参数如表1所示：

表1Drucker.Prager模型参数

为了增加路基的稳定性和整体性，在路堤底面铺一层土工格栅，其截面面积为0.00016m2，张拉模量为4.15×104MPa，泊松比为0.26。在其上的砂砾层弹性模量为2.53×104kPa,泊松比为0.28，重度为21KN/m3。

3结果分析

3.1地基沉降分析

根据前面的工程地质勘查，研究区的最大冻土层为7m，根据工程的特殊性，采用碎石桩复合地基，通过碎石桩带入的热量，穿过冻土层，破坏冻土层，打破热平衡，加快冻土的融化，最终变成融土层，因此模型先模拟未经碎石桩处理的融土地基，然后模拟经过碎石桩处理过的融土地基，通过比较它们的沉降，反映融土地基采用碎石桩后的效果。模型为地基未处理的融土地基进行固结沉降，采用逐级铺筑固结沉降，模拟设计年限为15年的道路工程，且道路不受温度和外界荷载的影响逐级填筑固结沉降，经历15年后的沉降量为108.7cm。

研究区岛状多年冻土路段设计采取碎石桩处理冻土地基的方式。砂砾垫层厚1.0m；碎石桩桩径0.4m，桩间距1.5m，采用梅花桩布置形式；研究区岛状多年冻土路段碎石桩的桩长为7.0m，模拟碎石桩处理融土地基，从设计年限为15年后的沉降云图得出：经过碎石桩处理过的融土地基，采用逐级填筑的方式进行固结沉降，经过15年后的最终沉降为38.7cm。融土地基经过碎石桩处理后，加固了地基，加强了地基承载力，有效的减小了沉降，与未经碎石桩处理过的融土地基相比较，沉降量减少了70cm，沉降幅度降低了64.4%。

3.2路表面不均匀沉降分析

根据模拟未经碎石桩处理融土地基的沉降云图，在其中提取路面表面路肩和路中点处的沉降量随时间变化的曲线得出：未经碎石桩处理的融土地基，路面表面路肩和中心点的沉降深度由9.7cm增加到了14.8cm，最终产生的不均匀沉降量为5.1cm。

根据模拟碎石桩处理融土地基的沉降云图，在其中提取路面表面路肩和路中点处的沉降量随时间变化的曲线得出：经过碎石桩处理的融土地基，路面表面路肩和中心点的沉降深度由5.7cm增加到了及6.9cm，最终产生的不均匀沉降量为1.2cm。与未经碎石桩处理过的融土地基比较沉降深度分别减小4cm和7.9cm，其幅度达到了41.2%和53.4%，路面不均匀沉降减少了3.9cm，其幅度减小达到了76.5%。

4结论

本文运用ABAQUS有限元软件模拟融土地基和碎石桩处理过的融土地基，得出碎石桩处理过的地基效果有如下结论：

（1）融土地基通过采用碎石桩处理后，其地基沉降由108.7cm降到了38.7cm，相对减少了70cm。融土地基经过碎石桩处理后，加固了地基，加强了地基承载力，有效的减小了沉降。

（2）未经碎石桩处理的融土地基，路面表面路肩和中心点的沉降深度分别为9.7cm、14.8cm,路面的不均匀沉降为5.1cm。

（3）融土地基通过采用碎石桩处理后，路面表面路肩和中心点的沉降深度分别为5.7cm、6.9cm，路面的不均匀沉降为1.2cm。

（4）融土地基通过采用碎石桩处理后，路面的不均匀沉降相对于未处理的融土地基的减小了3.9cm，说明碎石桩能有效低降低路面不均匀沉降。

参考文献

[1]张震国.碎石桩复合路基承载机理与沉降变形研究[D].武汉理工大学,2009.

[2]姜利,孟海伦.多年冻土区地基融沉处理形式[J].低温建筑技术,2011,(10):95-96+102.

[3]孟海伦.岛状多年冻土碎石桩复合地基沉降及温度场分布分析[D].东北林业大学,2012.

[4]冯建伟,刘靖.基于修正本构模型的基桩-岩土体力学特性研究[J].中外公路,2014,(03):157-161.

[5]陈光海.均质饱和黏性土的三剪统一结构性本构模型及ABAQUS二次开发[D].南昌大学,2014.

[6]董林伟.数值模拟中常用岩土本构模型及其参数研究[D].青岛理工大学,2011.