Analyse der Böschungsverformungseigenschaften eines Schnellstraßenverbreiterungsprojekts in der Nähe eines Teiches

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 717 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Stabilität des neuen und alten Untergrunds ist ein entscheidendes Problem bei Erweiterungsprojekten in weichen Bodenfundamenten, da unkoordinierte Verformungen schwere technische Unfälle oder sogar Katastrophen verursachen können. Um die Stabilität eines sich erweiternden Schnellstraßenprojekts in der Nähe eines Teiches im Qinbei-Abschnitt sicherzustellen, wurden eine Reihe von Vor-Ort-Untersuchungen, Labortests und numerischen Analysen durchgeführt. Die Setzungen und Verschiebungen der Vor-Ort-Überwachung wurden während der Bauzeit durchgeführt, um die analysierten Ergebnisse zu überprüfen. Es wurde festgestellt, dass die ungleichmäßige Setzung zu starken Setzungen und Verschiebungen der Böschung führte; Daher traten Nettorisse und Längsrisse in der Schnellstraße auf. Auch die neue Böschung war von der schwachen Gründung betroffen; Daher sollte das Fundament vor dem Bau des Erweiterungsteils verstärkt werden. Unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit und Wirksamkeit des Erweiterungsprojekts wurde auf der Grundlage der numerischen Analyse und der Ergebnisse der Vor-Ort-Befahrung die Ersatzmethode für die schwache Fundamentverstärkung empfohlen. Das Pumpen von Wasser hatte einen erheblichen Einfluss auf die Setzung der Böschung. Das Pumpen von Wasser verursachte ein Versickern des Fundaments und erhöhte die effektive Belastung des Bodens, wodurch das Fundament fester wurde. Der Teichhang sollte vor dem Bau der Böschung verstärkt werden, da er nicht durch das umgebende Erdreich begrenzt wurde. Daher konnte der Hangboden keinen ausreichenden passiven Bodendruck bieten und leicht abrutschen.

Das Verkehrswachstum korreliert stark mit der Wirtschaft1. Der Ausbau des Verkehrssystems kann den Warenaustausch ankurbeln und mehr Beschäftigungsmöglichkeiten schaffen. Darüber hinaus kann das Wirtschaftswachstum Investitionen in den Verkehrsbau ankurbeln. Die Lanhai-Schnellstraße (G75) wurde 2010 in Betrieb genommen, um eine starke Verbindung zwischen den nördlichen und südlichen Regionen Chinas zu schaffen. Mit der Entwicklung der Guangxi-Beibu-Golf-Wirtschaftszone2,3 und der Verbesserung der Kommunikation mit anderen Ländern kam es auf der Lanhai-Schnellstraße häufig zu Staus und Straßenproblemen4,5. Der Bau einer neuen Schnellstraße ist ein zeitaufwändiges Projekt und erfordert viel Geld; Daher kann die Erweiterung der Schnellstraße ein praktikablerer Ansatz sein6,7,8,9. Der Ansatz zur Erweiterung der Schnellstraße kann die Landressourcen sinnvoll nutzen und außerdem Geld und Zeit sparen. Beispielsweise wurde die Guangfo-Schnellstraße 1997 gebaut und 1999 fertiggestellt, und für dieses Projekt dauerte es im Vergleich zum ursprünglichen Bau fast ein Jahr weniger.

Im Allgemeinen wird der Schnellstraßenausbau auf drei Arten durchgeführt: integrierter Ausbau, getrennter Ausbau und hybrider Ausbau10. Die integrierte Erweiterung kann in unilaterale, bilaterale und interne Erweiterung unterteilt werden (Tabelle 1). Bei der internen Verbreiterung wird der Mittelstreifen auf eine Fahrspur übertragen. Darüber hinaus ist die interne Erweiterungsmethode störungsarm und kann einfach konstruiert werden; allerdings sind in diesem Fall die Aufweitungsbereiche klein. Die getrennte Aufweitung kann in einseitige und zweiseitige Aufweitung unterteilt werden. Das Hybrid-Aufweitverfahren vereint die Eigenschaften der integrierten und der getrennten Aufweitung.

Obwohl der Ansatz zur Erweiterung der Schnellstraße nützlich und wirtschaftlich ist, bestehen während der Planungs-, Bau- und Betriebsphase einige kritische Probleme. Bei der Verbreiterung von Schnellstraßen treten in der Regel lange Risse, Netzrisse und ungleichmäßige Setzungen auf ursprünglichen Schnellstraßen aufgrund schwacher Fahrbahnen oder Fundamente auf11,12,13. Darüber hinaus wirken sich die unkoordinierten Verformungen neuer und alter Untergründe stark auf verbreiterte Teile von Schnellstraßen aus14,15,16,17,18. Da alte Untergründe in der Regel über viele Jahre betrieben werden und sich Fundamente unter ihrem Eigengewicht sowie unter Fahrzeug- und Vibrationsbelastungen verfestigen und verformen, werden Fundamente und alte Untergründe stabil. Allerdings können bei Deicherweiterungsprojekten neue Böschungskonstruktionen zusätzliche Lasten aufnehmen und sich allmählich setzen. Unter Fahrzeug- und Vibrationsbelastungen können sich neue Untergründe jedoch nicht setzen; Daher treten an der Grenze zwischen neuem und altem Untergrund Risse auf.

Um dieses Problem der inkonsistenten Setzung zu lösen, wurden Modellversuche19,20 und numerische Analysen21,22,23,24 durchgeführt, um die Verformung verbreiterter Schnellstraßen zu bewerten. Im Allgemeinen werden inkonsistente Setzungen durch Böden25,26,27,28,29,30 und Wasser31 hervorgerufen. Die Senkung des Grundwasserspiegels verringert den Porendruck im Boden und erhöht folglich die effektive Belastung des Bodens32,33,34,35,36,37, was zu Bodenverfestigung und Setzung führt; Dadurch verformen sich Fundamente erheblich. Daher ist eine Fundamentverstärkung erforderlich, um dieses Problem zu vermeiden. Die Fundamentverstärkung wird durch die folgenden Methoden durchgeführt: (a) physikalische und chemische Methoden werden verwendet, um neue Fundamente direkt zu festigen, (b) Verbundfundamente oder Pfähle werden verwendet, um die Steifigkeit neuer Fundamente zu erhöhen, und (c) es werden neue Materialien verwendet um Böschungen zu füllen38,39,40,41.

Die Qinbei-Schnellstraße ist ein Abschnitt der Lanhai-Schnellstraße und einer der Hauptkanäle, der die südlichen Städte Guangxi in Qinzhou mit Beihai verbindet. Allerdings hat der boomende Verkehr in den letzten Jahren zu einer starken Belastung der Qinbei-Schnellstraße geführt. Um die Projektkosten für den Schnellstraßenausbau zu senken, wurde die einseitige Erweiterungsmethode des integrierten Erweiterungsansatzes übernommen. Allerdings liegt der Qinbei-Abschnitt im Weichbodengebiet im Süden von Guangxi, und einige verbreiternde Teile durchqueren große Weichbodenschichten. Vor allem im Abschnitt K2119 + 550 − K2119 + 700 versorgt ein Teich in Ufernähe die Poren des schwachen Fundaments ausreichend mit Wasser. Die vorliegende Arbeit konzentrierte sich auf die weiche Bodengründung in der südlichen Provinz Guangxi. Unter Berücksichtigung der Einflüsse des Grundwassers wurden die Auswirkungen der Ersatzmethode auf die Stabilität der verbreiterten Böschung untersucht. Abschließend wurden die Verformungseigenschaften der neuen und alten Böschungen diskutiert.

Das Schnellstraßenverbreiterungsprojekt wird in den Städten Qingzhou und Beihai im Süden Guangxis mit drei Lagerstätten durchgeführt: Alluvial-Pluvial-Lagerstätte, Kolluvial-Lagerstätte und Restlagerstätte. Die Bodenschichten sind wie folgt: Die alluvial-pluviale Ablagerungsschicht bestand aus Ton, Schluff, feinem Sand, mittlerem Sand und grobem Sand. Die alluvial-pluviale Ablagerungsschicht war etwa 1–3 m tief und enthielt organische Stoffe. Als nächstes bestand die verbleibende Ablagerungsschicht aus Ton, Sand und Kies. Die Restablagerungsschicht war etwa 0–3 m tief und befand sich in einem hartplastischen Zustand. Schließlich bestand die kolluviale Ablagerungsschicht aus Ton, Schluff, feinem Sand, mittlerem Sand und grobem Sand. Die kolluviale Ablagerungsschicht war etwa 3 m tief und befand sich in einem plastischen Zustand.

Um die mechanischen Parameter von Gesteinen und Böden zu ermitteln, werden eine Reihe von Tests durchgeführt, z. B. der direkte Schertest (DST), der dreiachsige Kompressionstest (TST), der Standardpenetrationstest (SPT), der dynamische Penetrationstest (DPT) und das kalifornische Lagerverhältnis Der Test (CBT) und der Proctor Compaction Test (PCT) wurden gemäß der chinesischen Norm GB 50021–200942 durchgeführt. Die Probenmengen der Untersuchung sind in Tabelle 2 dargestellt, der Ablauf der verschiedenen Prüfverfahren ist in Abb. 1 dargestellt. Die Weichbodenparameter sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Verschiedene Testverfahren.

Die Qinbei-Schnellstraße ist ein wesentlicher Teil der Lanhai-Schnellstraße (G75) und verbindet den südlichen Teil von Guangxi mit Beihai. Die Qinbei-Schnellstraße beginnt im Kreis Gaoqiao und endet im Maowei-Meer. Ihre Gesamtlänge beträgt 51,96 km. Die ursprüngliche Schnellstraße wurde 2010 gebaut und ist eine zweispurige, vierspurige Schnellstraße mit einer Dammbreite von 28,0 m. Die Böschung hat eine mittlere Breite (zentrale Antikollisionsmauer) von 3,2 m, eine Fahrbahn von 4 m × 3,75 m, einen Seitenstreifen von 2 m × 4,0 m und einen Bodenstreifen von 2 m × 0,9 m. Für dieses geplante Projekt wurde die einseitige Verbreiterungsmethode des integrierten Verbreiterungsansatzes übernommen, und die geplante Geschwindigkeit betrug 120 km/h. Nach Abschluss des Erweiterungsprojekts wird der Abschnitt K2119 + 550–K2119 + 700 zu einer zweigleisigen achtspurigen Schnellstraße und erhöht das Transportvolumen erheblich.

Der Abschnitt K2119 + 550–K2119 + 700 weist einen schwachen Fundamentbereich auf. Die Flächenbreite der neuen Böschung beträgt 33,0 m, das Böschungsneigungsverhältnis beträgt 1:1,5 und die Füllhöhe beträgt 10,3 m. Das Weichfundament hat eine Tiefe von ca. 4,0 m und ist mit einer schluffigen Lehmbodenschicht bedeckt. In der Nähe der Schnellstraße befindet sich ein Teich mit einer Breite von etwa 35,0 m, einer Länge von 42,0 m und einer Tiefe von 4,5 m. Die neue Böschung ist schematisch in Abb. 2 dargestellt. Die DPT-Ergebnisse zeigten, dass der weiche Boden 13 Treffer, 17 Treffer, 17 Treffer, 17 Treffer, 20 Treffer, 25 Treffer, 32 Treffer, 36 Treffer und 50 Treffer in der Verbreiterung aufwies Teil in der Nähe des Teiches entlang der Tiefe. Gemäß der empfohlenen Berechnungsmethode des Guangdong Architectural Design & Research Institute43 wurden die Tragfähigkeiten des weichen Bodens in der Tiefe mit 82 kPa, 100 kPa, 100 kPa, 100 kPa und 114 kPa bestimmt; Daher konnte die vorgesehene Tragfähigkeit nicht erreicht werden. Daher wurde der weiche Boden vor dem Bau des Fundaments behandelt.

Layout des Erweiterungsprojekts.

Der ursprüngliche Damm besteht aus einer künstlichen Füllschicht und einer darunter liegenden Quartärschicht (Abb. 3). Die Füllhöhe liegt zwischen 0 und 20 m. Der Füllhang hat drei Stufen, wobei jede Stufe eine Höhe von 8 m und eine Breite von 1,5 m hat. Die Steigungsraten für Schritt 1–3 betragen 1:1,5, 1:1,75 und 1:2 von oben nach unten. Die Böschungsneigung der ursprünglichen Schnellstraße ist gering und sanft, und die Böschungshöhe liegt meist unter 20 m. Auf der alten Schnellstraße kommt es aufgrund der Setzung des Dammbrückenkopfs zu Fahrzeugsprüngen, Rissen im Straßenbelag und Schwankungen der Widerlager. Die Dichte der Füllung hinter dem Abutment ist gering; Daher kommt es im Übergangsabschnitt zu Verformungen und Schäden an der Fahrbahn.

Ursprüngliche Schnellstraße.

Nach mehr als 10 Jahren Betrieb sind in einigen Abschnitten der Fahrbahn zahlreiche Schäden aufgetreten (Abb. 4). Obwohl die Schnellstraße jedes Jahr repariert wird, kommt es aufgrund des zunehmenden Verkehrsaufkommens häufig zu Fahrbahnschäden wie teilweisen Absenkungen, Netzrissen und Längsrissen. Diese Schäden sind vor allem im Bereich der Verfüllungs- und Aushubverbindung oder im Hochverfüllungsteil des Böschungsabschnitts aufgrund der ungleichmäßigen Setzung der Böschung oder der unzureichenden Festigkeit der Fahrbahnunterlage entstanden.

Notbildung der alten Schnellstraße.

Der Untergrund des Pflasters besteht aus mit Kalkflugasche stabilisiertem Makadam. Es wird jedoch berichtet, dass mit Kalkflugasche stabilisierter Makadam im Vergleich zu mit Zement stabilisiertem Makadam einige Nachteile aufweist. Beispielsweise wird die Oberfläche von mit Kalkflugasche stabilisierten Schotteruntergründen durch eindringendes Wasser schneller weich als die von zementstabilisierten Belägen. Aufgrund des Fehlens eines vollständigen internen Entwässerungssystems treten in zementstabilisierten Belägen Risse auf. Der Feinpartikelgehalt in der Kalk-Flugasche-Kiesschicht des alten Straßenbelags ist hoch, die Wasserscheuerbeständigkeit gering und die Wasserstabilität schlecht.

Die alte Fahrbahn ist seit langem in Betrieb und ihre Festigkeit reicht nicht aus; Daher kommt es leicht zu Schäden im Abschnitt der Baugrubenverbindung und im Hochfüllbereich des Dammabschnitts. Das Erweiterungsprojekt hat die einseitige Erweiterungsmethode des integrierten Erweiterungsansatzes übernommen, um die unkoordinierten Verformungen der alten und neuen Böschungen zu reduzieren. Daher sollte bei diesem Projekt ein ordnungsgemäßer Entwurf für die Verbindung von Böschungen erstellt werden.

In der ABAQUS-Software wurde ein zweidimensionales numerisches Modell des geplanten Damms entwickelt, dessen Modellgröße und -abmessungen mit denen des tatsächlichen Erweiterungsprojekts übereinstimmten (Abb. 5). Das Schichtmodell hatte eine Länge von 234 m und eine Breite von 53,4 m. Die Breiten der Böschungsober- und -unterseite betrugen 61,1 m bzw. 92,0 m, die Breite der neu verfüllten Böschung betrug 33,0 m. Die Füllhöhe betrug 10,3 m, das Neigungsverhältnis 1:1,5 und die Ersatztiefe des Weichfundaments 4,9 m mit einem Sandpolster von 1,0 m. Zur Vereinfachung der Berechnungen wurden Länge und Breite des Teiches gerundet. Der Teich lag 2,0 m von der neuen Böschung entfernt und hatte eine Breite von 40,0 m und eine Tiefe von 4,5 m. Zur Simulation der Schlammschicht wurde das modifizierte Cam-Clay-Modell verwendet, zur Simulation der anderen Schichten wurde das Mohr-Coulomb-Modell übernommen. Der Bodenelementtyp war CPE4R. Zur Beurteilung der Stabilität von Böschungsböschungen wurden 13 Analyseschritte mit einem Netz von 26.199 Elementen eingesetzt.

Aufbau des numerischen Modells.

Bei der Erstellung des numerischen Modells wurden folgende Annahmen getroffen: (i) Die alte Böschung und alle Bodenschichten waren homogen und isotrop und (ii) das durch Kies ersetzte weiche Fundament und das Sandpolster waren ebenfalls homogen und isotrop. Darüber hinaus wurden die folgenden Randbedingungen angewendet: (i) die Unterseite des Modells war fest, (ii) die linken und rechten Grenzen waren horizontal und fest und (iii) die Oberseite war frei.

Die physikalischen und mechanischen Parameter jeder Bodenschicht des numerischen Modells sind in Tabelle 4 dargestellt. Um die Auswirkungen von Grundwasser, Füllmaterialien und der Austauschmethode auf die Stabilität der Böschung zu analysieren, wurden zwei verschiedene Fälle numerisch betrachtet Modellierung: Fall A: Schritt 1: Das weiche Fundament wurde durch Kies ersetzt. Schritt 2: Das Sandpolster wurde gelegt und die Böschung verfüllt. Schritt 3: Wasser wurde aus dem Teich gepumpt. Fall B: Schritt 1: Das schwache Fundament wurde durch Kies ersetzt. Schritt 2: Das Sandpolster wurde gelegt und die Böschung verfüllt.

Die endgültige Setzung entlang der neuen Böschung in einer Tiefe von 1 m ist in Abb. 6 dargestellt. Auffällig ist, dass sich die neue Böschung nach der Verbreiterung der Böschung allmählich setzte. Im Vergleich zu den anderen Teilen der Böschung war die Setzung des ersetzten Teils stärker ausgeprägt. Bei gleicher Ufersetzung nahm die Setzung mit zunehmender Entfernung zum ersetzten Teil zu. Die maximale Setzung betrug im Fall B 0,46 cm, während der Wert im Fall A 2,48 cm betrug. Obwohl als Ersatz für Schotter niedrig komprimierbare Materialien verwendet wurden, setzte sich die Konsolidierung des Fundaments unter der neuen Dauerlast fort; Dadurch wurde das Fundament nach und nach gefestigt und stabil.

Endgültige Besiedlung der Böschungsoberfläche.

Aus den Böschungssetzungskurven unter gepumpten und ungepumpten Bedingungen geht hervor, dass die Pumpmethode einen erheblichen Einfluss auf die Setzung der Böschung hatte. Die maximalen und minimalen Unterschiede betrugen 4,01 cm bzw. 1,14 cm, was darauf hindeutet, dass auch das Grundwasser die Stabilität der Böschung erheblich beeinflusste. Darüber hinaus war der Siedlungsunterschied zwischen dem ersetzten Teil und anderen Teilen der Böschung erheblich, was darauf hindeutet, dass das Pumpen von Wasser die Besiedlung des ersetzten Bereichs stark beeinflusste. Nach dem Abpumpen des Wassers sorgte die neue Böschung für eine dauerhaftere Belastung des Fundaments und der Grundwasserspiegel sank aufgrund von Versickerung. Nach dem Prinzip der effektiven Spannung wird der überschüssige Porendruck abgebaut und die effektive Spannung erhöht; Dadurch kam es zu einer Verdichtung der Bodenstruktur, was zu Böschungssetzungen führte.

Die Verschiebung und das Wolkendiagramm der Böschungsböschung sind in Abb. 7 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Böschungssetzung den größten Einfluss auf die Verschiebung an der Böschungsspitze hatte und der Einflussbereich fast 15 m erreichte. Auch die Böschungssetzung hatte einen großen Einfluss auf die Verschiebung in der Hangmitte (Tiefe = 9 m), wohingegen sie nur einen geringen Einfluss auf die Verschiebung in der Hangsohle (Tiefe = 5 m) hatte. Die Einflusstiefe der neuen Verbreiterung betrug ca. 5 m, da die Höhe der Böschungsaufschüttung 10,3 m betrug.

Vergleich der endgültigen Hangverschiebungen.

Im Fall A betrug die maximale Verschiebung der Böschungssohle 1,76 cm, die minimale Verschiebung an der Böschungsoberseite betrug 0,72 cm und die Verschiebung in der Böschungsmitte betrug 1,08 cm. Die Verschiebung an der Hangsohle war etwa 2,5-mal höher als an der Hangoberseite. Durch die ungehinderte Eindämmung der Hangober- und -unterseite rutschte der Boden im Zuge der Eigengewichtsverfestigung nach außen. Darüber hinaus war das Eigengewicht des Bodens an der Böschungssohle deutlich höher als an der Böschungsoberseite, und die Belastung verformte das Fundament horizontal. Daher war die Verschiebung an der Hangunterseite viel größer als an der Hangoberseite.

In Fall B betrugen die maximalen Verschiebungen oben, in der Mitte und am Ende des Hangs 0,66 cm, 0,99 cm bzw. 1,54 cm, was 1,09-, 1,09- bzw. 1,14-mal niedriger war als in Fall A. Das Pumpen von Wasser aus dem Teich senkte den Grundwasserspiegel; Dadurch kam es zu einer Verfestigung des Bodens in vertikaler und horizontaler Richtung und zu Böschungssetzungen und Hangverschiebungen. Den Ergebnissen der numerischen Analyse zufolge wurde beim Bau des Erweiterungsabschnitts der Zustand ohne Pumpen angenommen.

Die Setzungsüberwachung erfolgte an der Böschungsoberfläche, die Neigungsüberwachung am Böschungshang. Zur Setzungsüberwachung bzw. Neigungsüberwachung wurden hydrostatische Füllstandsmessgeräte und Neigungsmessrohre eingesetzt. Die hydrostatischen Füllstandsmessgeräte wurden entlang der Mittellinie des neuen Dammes und der Straßengrenze in einer Tiefe von etwa 1 m (10 dm) angebracht. Drei Neigungsmesserrohre wurden oben, in der Mitte und unten am Böschungshang in einer Tiefe von 14,5 m, 10 m bzw. 9,5 m angebracht. Der Aufbau der Überwachungsausrüstung und die Installationsprozesse sind in den Abbildungen 8 bzw. 9 dargestellt.

Schematischer Austausch der neuen Geräteanordnung zur Böschungsüberwachung.

Installation von Überwachungsinstrumenten vor Ort.

Ursprüngliche Böschungen können durch Injektionen verstärkt werden. Die Setzungsverformung neuer Straßen sollte streng kontrolliert werden, insbesondere in weichen Fundamenten und an Kreuzungsabschnitten von Auffüllung und Aushub. Der untersuchte Abschnitt verlief durch Ackerland und tiefer gelegene Gebiete des Flussnetzes, und die meisten dieser Gebiete sind weiche Erdböschungen; Dadurch wird die Stabilität der Böschung erheblich beeinträchtigt. Aufgrund schlechter Entwässerungsverhältnisse kann es beim Straßenbau leicht zum Verrutschen der Böschung kommen.

Entsprechend den unterschiedlichen Merkmalen der einzelnen Abschnitte schwacher Fundamente werden die folgenden Maßnahmen empfohlen: (a) Die Ersatzmethode sollte für flache Böschungen mit weichem Boden angewendet werden und (b) Verbundfundamente sollten für tiefe Böschungen mit weichem Boden verwendet werden. Wenn die Erneuerungstiefe einen Meter übersteigt, sollten vorübergehende Schutzmaßnahmen ergriffen werden, um die Stabilität der alten Straßendämme sicherzustellen. In Anbetracht der Wirtschaftlichkeit und Wirksamkeit des Schnellstraßenverbreiterungsprojekts wurde als Ersatzmethode die Behandlungsmethode für schwache Fundamente verwendet.

Als Ersatzmaterial bzw. Polstermaterial wurden Schotter (Druckfestigkeit = > 5 MPa) und Kies (Bodengehalt = < 3 % und Durchlässigkeitskoeffizient = 0,06–0,006 cm/s) verwendet. Die Höhe des Geogitters betrug > 6 m und seine Parameter (Abb. 1) wurden im Labor gemäß der Norm GB/T 17689–200844 getestet. Bei der Austauschmethode wurden fünf Schritte durchgeführt (Abb. 10): a. Schwache Bodenschichten wurden ausgehoben; B. Die schwachen Bodenschichten wurden mit Schotter aufgefüllt. C. Die Oberfläche der Schotterschichten wurde mit Kies aufgefüllt. D. Das Geogitter wurde auf die oberste Bodenschicht aufgebracht. e. Der Füllboden wurde verdichtet. Der schwache Bodenaustauschprozess ist in Abb. 11 dargestellt.

Schritte des Austauschprozesses.

Schwacher Bodenaustauschprozess.

Die Straßenränder und Mittelliniensetzungen der Abschnitte K2119 + 600 und K2119 + 630 sind in Abb. 12 dargestellt. Die Setzung nahm mit der Höhe der neu verfüllten Böschung zu. Im Abschnitt K2119 + 600 betrugen die endgültigen Setzungen 4,3 mm bzw. 2,5 mm in der Mittellinie und am Straßenrand, und die entsprechenden Ergebnisse der numerischen Analyse lagen bei 4,6 mm bzw. 4,5 mm. Im Abschnitt K2119 + 630 betrugen die endgültigen Setzungen 3,3 mm bzw. 2,4 mm in der Mittellinie und am Straßenrand; somit betrug die Setzungsdifferenz zwischen Mittellinie und Straßenrand 0,9 mm. Daher ist es offensichtlich, dass die Mittellinie eine größere Setzung aufwies als die Straßengrenze, was darauf hindeutet, dass Risse in der Mittellinie der neuen Böschung auftreten würden, weil der schwache Fundamentbereich die ungleichmäßige Setzung verstärken könnte.

Besiedlung der Böschung.

Die Verschiebungen der Böschungsböschung in den Abschnitten K2119 + 600 und K2119 + 630 sind in den Abbildungen 13 bzw. 14 dargestellt. Im Abschnitt K2119 + 600 betrugen die maximalen Verschiebungen am oberen, mittleren und unteren Ende der Böschung 3,72 mm, 5,67 mm bzw. 6,01 mm, und im Abschnitt K2119 + 630 betrugen die entsprechenden Werte 9,71 mm bzw. 9,66 mm bzw. 9,73 mm. Die Setzungsunterschiede zwischen Test- und Zahlenwerten betrugen 2,88 mm am oberen Ende, 4,23 mm in der Mitte und 9,39 mm am unteren Ende der Böschung.

Hangverschiebungen im Abschnitt K2119 + 600.

Hangverschiebungen im Abschnitt K2119 + 630.

Im Allgemeinen werden Böschungsböschungen nicht durch umgebende Bodenschichten begrenzt; Daher ist die Verschiebung an der Hangoberseite kleiner als die an der Hangunterseite. Bei diesem Projekt kam es zu erheblichen Verformungen am Teichhang (Abb. 7); Daher konnte der Hangboden keinen ausreichenden passiven Bodendruck bereitstellen. Darüber hinaus hat das Wasser im Teich auch den Hangboden aufgeweicht. Daher war die Verschiebung an der Böschungssohle der neuen Böschung größer als an der Böschungsoberkante.

Das grundlegende Problem dieses Erweiterungsprojekts war die Beherrschung der Setzung und Verschiebung der neuen und alten Böschungen. Der alte Damm wurde über einen längeren Zeitraum verfestigt und die Siedlung ist viel größer als der neue Damm. Die neue Böschung wird über ein weiches Erdfundament verfüllt. Darüber hinaus befindet sich das schwache Fundament in der Nähe eines Teiches; Dadurch sickert ständig Wasser in den weichen Boden ein. Wenn das schwache Fundament nicht verstärkt wird, kann die ungleichmäßige Setzung zu Rissen in der neuen Böschung führen. Den Bohrlochtestergebnissen zufolge weist die alte Böschung eine kleine Setzung auf, wohingegen das schwache Fundament eine große Setzung aufweist, die in diesem Bereich zu schweren Unfällen führen kann. In Anbetracht des weichen Bodenvolumens wurde in diesem Abschnitt die Austauschmethode für die Fundamentbehandlung empfohlen. Die Austauschmethode ist eine wirksame Methode für flache und schwache Fundamente. Bi45 verglich die Kosten für die Behandlung schwacher Fundamente mit der Tiefenmischmethode und der Ersatzmethode und stellte fest, dass die Kosten der Ersatzmethode etwa 2/3 niedriger waren als die der Tiefenmischmethode für eine Behandlungsfläche von etwa 20.000 m2 mit Tiefen von 1,8–3,3 m.

Das Wasser im Teich hatte einen wesentlichen Einfluss auf die Deformation der Böschung. Durch das Pumpen von Wasser kam es zu Setzungen und Verschiebungen der Böschung. Den Simulationsergebnissen zufolge erhöhte das gepumpte Wasser die Setzung um mehr als das Fünffache und erhöhte auch die Verdrängung um fast das 1,1-fache. Da das Pumpen von Wasser außerdem den Grundwasserspiegel des Fundaments senkte, erhöhte das schwimmende Gewicht die Belastung des Bodens; somit erhöhte sich die Siedlung.

Das Wasserpumpen beeinflusste auch die Stabilität des Teichhangs (Abb. 15). Sowohl die linke als auch die rechte Seite des Teichhangs verformten sich allmählich, was zur Setzung der Böschung führte. Nachdem das Wasser abgepumpt war, hatte die neue Böschung zwei Stufen; Da die untere Stufe (Teichhang) jedoch nicht behandelt wurde, konnte sie leichter rutschen, um das Gewicht der oberen Stufe zu tragen. Das fertige Erweiterungsprojekt ist in Abb. 16 dargestellt. Der neue Damm war nach dreimonatiger Bauzeit stabil und weist noch immer keine Risse und eine deutliche Setzung auf.

Verschiebungen des Teichhanges.

Das fertige Projekt aus der Vogelperspektive.

Um die Einflüsse von Grundwasser und schwachem Fundament auf ein Schnellstraßenverbreiterungsprojekt in der Nähe eines Teiches im Qinbei-Abschnitt zu untersuchen, wurden zwei Fälle numerischer Modellierung unter Pump- und Nichtpumpbedingungen durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit werden im Folgenden vorgestellt.

Die ungleichmäßige Setzung verursachte Netzrisse, Längsrisse und starke Setzungen in der alten Böschung. Die Entwässerung und das Gefälle des Fundaments wurden beeinträchtigt und verringerten die Stabilität der Böschung.

Angesichts der Wirtschaftlichkeit und Effektivität des Projekts wurde die Ersatzmethode für die schwache Fundamentverstärkung empfohlen. Die numerische Analyse und die Befahrungsergebnisse vor Ort ergaben, dass sich die leichte Setzung der Böschung nach der Austauschmethode positiv auf das weiche Bodenfundament auswirkte.

Das Pumpen von Wasser hatte erhebliche Auswirkungen auf die Setzung der Böschung. In der neuen Böschung kam es zu starken Setzungen und Verschiebungen, da das Pumpen von Wasser zu Durchsickerungen im Fundament führte und die effektive Belastung des Bodens erhöhte, wodurch der Boden unter der Last stärker verfestigt wurde.

Vor dem Bau der Böschung sollte der Teichhang verstärkt werden. Die Verschiebung der Hangoberseite war geringer als die der Hangsohle, da der Teichhang nicht durch den umgebenden Boden begrenzt war; Daher konnte der Hangboden keinen ausreichenden passiven Bodendruck erzeugen und rutschte leicht ab.

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Daten sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem Verkehrsministerium der Volksrepublik China für die finanzielle Unterstützung (Grant-Nr. 2021-ZD1-014).

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Chunwei Wu, Junhui Luo und Haifeng Huang

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Dufeng Zhang

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Han Xia

Guangxi Communications Design Group Co., LTD., Nanning, 530029, China

Da Qin

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CW, DZ, HX, JL und HH haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben und DQ hat die Abbildungen vorbereitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Han Xia.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 11. Juni 2022

Angenommen: 17. November 2022

Veröffentlicht: 13. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24592-w

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