堤路改造工程差异沉降控制技术实施效果研究.pdf
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1、DOI:10.12170/20221230002李吉,谢雨廷,曾鹏,等.堤路改造工程差异沉降控制技术实施效果研究 J.水利水运工程学报,2023(4):12-21.(LI Ji,XIEYuting,ZENG Peng,et al.Study on the implementation effect of differential settlement control technology in embankment wideningprojectJ.Hydro-Science and Engineering,2023(4):12-21.(in Chinese)堤路改造工程差异沉降控制技术实施效
2、果研究李 吉1,谢雨廷2,曾 鹏3,朱 明4,程 攀4(1.南京市江北新区公共工程建设中心,江苏 南京 211500;2.南京水利科学研究院,江苏 南京 210029;3.衡阳北控水资源管理有限公司,湖南 衡阳 421200;4.江苏中禹水利建设有限公司,江苏 淮安 223001)摘要:针对堤路改造工程中面临的差异沉降控制等难题,以南京市江北新区滨江堤防道路加宽改造工程为依托,根据堤防下部地质条件与工程建设特点选取典型断面进行数值计算模拟,开展天然堆载、台阶开挖联合土工格栅处理和深层水泥搅拌桩(DCM)处理 3 种方案的分析对比研究。结合数值计算结果,采用上部结合面处置联合下部地基处理的差异沉
3、降控制技术,对软土地基进行深层水泥搅拌桩处理、在新老堤结合处进行台阶开挖联合土工格栅与锥探灌浆等方式相结合的措施进行加固处理。通过现场监测分析断面沉降、孔隙水压力与水平位移等的发展规律,验证数值模型的合理性,并评估该处理方案在实际堤路改造工程中的差异沉降控制效果。结果表明,采用上部结合面处置联合下部地基处理的试验断面路中与右路肩工后剩余沉降分别为 16 和20 mm,二者差异沉降均保持在 4 mm 以下。这验证了该技术对堤路改造工程新老堤协调变形的控制效果,可为后续滨江堤路改造工程差异沉降控制提供借鉴。关键词:堤路改造工程;差异沉降;地基处理;实施效果中图分类号:TV223 文献标志码:A 文
4、章编号:1009-640X(2023)04-0012-10 长江沿线城市滨水道路集防洪、交通、岸线景观等功能为一体,具有重要的自然生态功能和社会服务功能,是提升城市整体防洪能力、维护城市生态系统安全、彰显滨江城市特色的强有力支撑,具有显著的综合效益。由于堤路改造工程新旧堤防存在土性参数的差异性和几何形态变异性,因此在建设过程中面临差异沉降控制与渗透变形破坏防控等诸多难题。目前已有许多学者开展了相关研究:汪小茂等1对采用堤路结合形式修建的武汉市滨江大道进行研究,提出了堤路结合工程在布置形式、衔接处理及压实度标准等关键问题的工程设计建议;胡晓红等2对堤路结合的路基差异沉降控制技术进行研究,提出堤防
5、道路改造全要素理念,并成功应用于武汉市汉口至阳逻江北快速路、长江主轴右岸大道等堤防道路,为堤防道路的设计提供借鉴;占鑫杰等3以南京市某堤防拓宽工程为例,建立数值计算模型研究了新老堤相互作用,并提出开挖台阶结合土工格栅的施工工艺,以减小堤身的变形和差异沉降;李昂等4结合长江干堤防洪能力提升工程,提出利用开挖台阶联合土工格栅的方式对结合面进行加固。南京江北新区堤路改造工程沿线地基土地质条件较差,场地沿线广泛分布着软土(主要为淤泥质土)层,新旧堤防下部软土地基固结程度的不同也容易产生差异沉降,过大的差异沉降常会导致堤防结合部产生裂缝,进而影响堤防的长期稳定。目前,国内外已有软土路基差异沉降控制的相关
6、研究:章海明5基于土体固结理论,运用有限元方法对高速公路软土路基差异沉降进行分析,验证采用粉喷桩加固软土地基的处 收稿日期:2022-12-30基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFC3000103);国家自然科学基金面上项目(51979174);水利部水旱灾害防御重点实验室开放基金资助项目(KYFB202112071053)作者简介:李吉(1972),男,江苏启东人,高级工程师,硕士,主要从事市政、水利、建筑工程建设。E-mail: 通信作者:谢雨廷(E-mail:)第 4 期水利水运工程学报No.42023 年 8 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERINGAu
7、g.2023治效果;赵明华等6对滨海道路软土路基特性进行相关研究,提出沉降预测模型;Yu 等7认为路面裂缝的产生主要由路基处理不当导致,通过数值计算证明可以使用轻质填充材料减小路堤沉降;宋书昌8通过一维和三维蠕变试验,揭示了沿海公路软土路基长期沉降机理;Hao 等9通过对岸坡稳定性的数值模拟研究,验证了新老堤的渗透系数比对新堤坝边坡稳定性影响显著;张军辉10运用有限元方法,对不同施工方法下软土地区新老堤的沉降进行数值模拟,得出新路基优先采用复合地基处理方法可降低对施工期老堤的扰动,并减小新老堤的工后沉降。虽然国内外学者对新老堤的差异沉降问题展开了大量研究,但缺乏对差异沉降的控制效果进行综合评价
8、研究。实际工程通常会结合现场监测数据对地基的沉降发展进行预测,从而验证和评估沉降控制效果。双曲线法根据实测数据进行拟合预测,并假定沉降曲线按沉降平均速度呈双曲线递减的规律变化,是当前应用较广的一种经验方法。有学者11-12利用双曲线法分别对采用深层水泥搅拌(deep cement mixing,DCM)桩的软土路基和铺设土工格栅的黄土路基沉降进行预测,根据拟合优度验证了双曲线法在不同处理方式下路基沉降预测的应用可行性。本文结合南京江北新区堤防加宽道路改造工程,采用数值模拟和现场试验相结合的方式,提出堤路改造工程中软土路基的处理方案,并结合双曲线法分析评价设计方案的差异沉降控制效果。1 江北新区
9、堤防加宽道路改造工程概况南京江北新区堤防加宽道路改造工程上起南京长江三桥、下至浦仪公路,场地沿线广泛分布着软土地基,其中主要为两类软土软土13:-3 层淤泥和-2 层淤泥质粉质黏土。现状堤防经多年运行,下覆软土地基的固结沉降已基本完成,新建路堤在上覆堤身荷载作用下,易在新老堤结合处产生差异沉降,如不采取相应的加固处理措施,容易造成堤防道路拉裂破坏。根据堤防工程设计规范(GB 502862013),路基容许工后沉降值如下:(1)桥台与路堤相邻处10 cm;(2)涵洞、箱涵、通道处20 cm;(3)一般路段30 cm。根据该地软土地基特点,结合工程实际,需从稳定和沉降两个方面分析,确保路基稳定的同
10、时控制工后沉降,通过对沉降的分析计算,拟定需要处理的软基路段,选取安全经济的措施进行处理。2 数值建模及差异沉降控制方案设计 2.12.1数值模型方案及参数根据堤路工程设计方案与工程地勘资料,选取填筑高度较高的 K0+500 断面进行数值模拟分析,该断面属于典型的新路-旧堤结合断面,针对 3 种处理方案开展计算分析,具体见表 1。数值模拟计算参考汪璋淳等14的有限元建模方案,地基土、新路堤填土、褥垫层及 DCM 桩使用摩尔库伦弹塑性本构模型,路面结构层与土工加筋使用弹性本构模型,主要材料的物理力学参数见表 2。表 1 3 种处理方案下的数值模型对比Tab.1 Comparison of num
11、erical models under three schemes处理方法设计方案研究重点天然堆载单纯路堤堆载预压处理新老堤堤身、路基和结合部位的沉降变形规律台阶加筋使用开挖台阶结合土工加筋处理新旧路堤结合面,同时利用路堤堆载对地基进行预压处理新老堤的沉降变形规律、结合部位的变形规律和土工织物的力学变形特性DCM处理采用深层水泥搅拌桩(deep cement mixing pile)复合地基法进行地基处理,在新旧堤结合段采用变桩长进行过渡,并在新旧路堤结合面采用台阶开挖结合土工加筋处理新老堤的沉降变形规律、新老堤结合部位的变形规律和复合地基的变形规律第 4 期李 吉,等:堤路改造工程差异沉降控
12、制技术实施效果研究13 2.22.2平面应变模型等效本文通过建立二维平面应变模型对不同方案进行分析对比,其中在 DCM 桩数值模型建立中需要对水泥土桩进行平面应变等效处理。水泥土桩复合地基属于柔性桩复合地基,按照复合地基技术规范(GB/T507832012),参考汪璋淳等14的建模方案,将正三角形布置的深层水泥搅拌桩转化为平面应变桩墙,不改变桩间距及桩径,按照复合模量等效的思路进行转换可得:Ep3m3+Es(1m3)=Ep2m2+Es(1m2)(1)式中:Ep3、Ep2分别为三维工况和平面应变等效工况下桩的弹性模量;m3、m2分别为三维工况和平面应变等效工况下桩的面积置换率;Es为多层土的复合
13、弹性模量。取路中心断面为计算断面,Es 按照如下厚度加权公式进行计算:Es=hsni=1hi/Ei(2)式中:n 为土层数;hs为桩长;hi、Ei分别为桩长范围内各层土的厚度及弹性模量。实际三维情况的深层水泥搅拌桩,其桩身 28 d 无侧限抗压强度不小于 1.0 MPa,压缩模量可取桩体水泥土强度的 100200 倍(取180 MPa),泊松比取 0.25,换算后弹性模量为 Ep3=150 MPa,置换率 m3=14.5%。对于二维平面应变情况,m2=0.6/1.5=40%。根据以上参数,求得 Ep2=56 MPa。2.32.3荷载、特征点、填筑设置在数值模型的填筑过程模拟中,假设路堤填筑施工
14、期为 3 个月,共分 5 层填筑,如图 1 所示,工后沉降基准期假设为 10 年。为了对比不同处理方式下的差异沉降控制效果,选取 5 个特征点进行分析,分别为老堤防临水侧坡脚、防浪墙墙脚、老堤防背水侧路肩、新堤防右路肩之下原地表、新堤防路中之下原地表,以 DCM 模型为例,5 个特征点分别对应图 2 中的 AE。2.42.4数值模拟沉降分析图 3 为新填筑道路中心位置(图 2 中 E 点)及右路肩位置(图 2 中 D 点)的沉降发展曲线,天然堆载与台阶加筋在两个位置的沉降曲线基本重合,最终沉降分别为 715 和 623 mm,采用 DCM 软土地基处理技术,路中与右路肩位置沉降分别缩减为 22
15、9 和 表 2 数值模型参数Tab.2 Parameters of numerical models材料孔隙比渗透系数/(cms1)天然重度/(kNm3)弹性模量/kPa黏聚力/kPa内摩擦角/泊松比-2素填土0.9071.0010518.92 68016180.35-1粉质黏土、黏土0.8811.0010519.02 46015160.38-2淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土1.0197.5710618.21 20014120.44-3粉土0.7691.0010419.35 38010180.32-1粉砂0.6191.4010320.17 580270.30新路堤填土0.5001.0010521.
16、212 90050180.35路面结构24.010 000 0000.20褥垫层0.5001.0010521.520 000100200.30加筋1 750 0000.20实际水泥土桩0.5001.0010721.0150 000200300.25二维等效水泥土桩0.5001.0010721.056 000200300.25 6543填筑高度/m21050100时间/d150200 图 1 路堤分层填筑过程Fig.1 Diagram of the layered filling process ofthe embankment EDCBA 图 2 数值模拟特征点与 DCM 方案网格划分Fig.
17、2 Feature points of numerical simulation and DCMcondition meshing 14水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 8 月183 mm。分析图 3 中路中断面原地表的工后沉降,天然堆载、台阶加筋和 DCM 处理 3 种地基处理方案的工后沉降分别为 305、305 和 88 mm。根据数值计算结果,天然堆载、台阶加筋均不能满足一般路段工后沉降小于 300 mm 的要求,而 DCM 处理方案在控制地基沉降方面具有显著作用,其工后沉降可以满足规范要求。图 4 为路面范围内工后沉降分布结果,其中天然堆载方案路面最大工后沉降为 305 mm
18、,路中与路肩工后差异沉降值为 59 mm;台阶加筋方案路面最大工后沉降及路中与路肩工后差异沉降值分别为 305 和57 mm,且这两种方案的沉降曲线基本重合;DCM 处理方案的路面最大工后沉降为 88 mm,路中与路肩工后差异沉降值为 15 mm。从数值计算结果可以看出台阶加筋处理方法对降低路面差异沉降的作用微弱,而DCM 设计方案不仅可以显著减小地基总体沉降变形量,还可以大幅缩减路面工后沉降及差异沉降。图 5 为 3 种工况下最终沉降云图,台阶加筋与天然堆载工况最终沉降分别为 820 和 827 mm,最大沉降区均位于路面宽度之下的原地表位置。DCM 处理工况路面之下原地表沉降量大幅缩减,对
19、应图 2 的 D、E 点沉降分别为 183 和 229 mm,最大沉降区位于左侧远离路面的未进行地基处理的场平堆载区,沉降极值为 706 mm。0100 200 300天然堆载-路中天然堆载-右路肩台阶加筋-路中台阶加筋-右路肩DCM-路中DCM-右路肩400 500时间/d600 700 800 9001 000100200300沉降/mm400500600700800 图 3 路面范围下原地表沉降对比Fig.3 Comparison of in-situ surface settlements underthe pavement range 048121620路面宽度/m245010015
20、0沉降/mm200250300350400DCM 处理天然堆载台阶加筋 图 4 断面工后沉降分布Fig.4 Distribution of post-construction settlement inthe cross section +1.388 101垂直位移/m+6.449 1029.797 1038.409 1021.584 1012.327 1013.070 1013.812 1014.555 1015.298 1016.041 1016.784 1017.527 1018.270 101Min:8.270 101垂直位移/m+1.420 101+6.183 1021.836 10
21、29.855 1021.787 1012.589 1013.391 1014.193 1014.995 1015.797 1016.599 1017.401 1018.202 101Min:8.202 101垂直位移/m+3.770 1021.951 1027.672 1021.339 1011.911 1012.483 1013.056 1013.628 1014.200 1014.772 1015.344 1015.916 1016.488 1017.060 101Min:7.060 101Min:8.270 101xyxyMin:8.202 101xy24 m 宽路面Min:7.060
22、101(a)天然堆载工况(b)台阶加筋工况(c)DCM 处理工况 图 5 3 种工况下最终沉降云图Fig.5 Final settlement nephogram for three working conditions 第 4 期李 吉,等:堤路改造工程差异沉降控制技术实施效果研究15 2.52.5数值模拟水平位移分析图 6 为 3 种工况下最终水平位移云图。天然堆载工况下,地基最大水平位移为 440 mm,发生在新旧结合面之下的-2 软土层中,距离填筑后地表约 10.4 m,台阶加筋工况与天然堆载工况的地基水平位移基本一致;DCM 处理工况的新旧堤结合面以下地基最大水平位移为 110 mm
23、,位于-2 软土层顶面处,地基最大水平位移转移至道路左侧场平区之下的软土层中,为 195 mm,距离地表约 12.6 m。计算结果表明,DCM 复合地基处理同时也能显著缩小软基的水平位移。水平位移/m+4.402 101+4.058 101+3.714 101+3.369 101+3.025 101+2.681 101+2.337 101+1.992 101+1.648 101+1.304 101+9.595 102+6.152 102+2.709 1027.334 103Max:+4.402 101水平位移/m+4.421 101+4.044 101+3.668 101+3.291 101+
24、2.914 101+2.538 101+2.161 101+1.785 101+1.408 101+1.032 101+6.550 102+2.785 1029.811 103Max:+4.421 101水平位移/m+1.951 101+1.786 101+1.621 101+1.456 101+1.290 101+1.125 101+9.600 102+7.948 102+6.296 102+4.644 102+2.992 102+1.340 1023.116 1031.964 102Max:+1.951 101xy24 m 宽路面Max:+1.951 101xy24 m 宽路面Max:+4
25、.421 101xy24 m 宽路面Max:+4.402 101(a)天然堆载工况(b)台阶加筋工况(c)DCM 处理工况图 6 3 种工况下最终水平位移云图Fig.6 Final horizontal displacement nephogram for three working conditions 2.62.6差异沉降控制设计方案根据数值计算结果,在满足防汛和交通要求条件下,为解决新老路堤的差异沉降及其后续变形问题,拟采用上部结合面处置协同下部地基的联合处理技术对南京江北新区堤路改造工程进行加固处理。根据本工程特点,下部软土地基的处理方案为:对于浅表层软土,道路布置范围内进行清除换填;
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