Análisis de las características de deformación del terraplén de un proyecto de ampliación de una autopista cerca de un estanque.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 717 (2023) Citar este artículo

794 Accesos

Detalles de métricas

La estabilidad de subrasantes nuevas y antiguas es un problema crucial para proyectos de ampliación en cimientos de suelo blando porque las deformaciones no coordinadas pueden causar accidentes de ingeniería graves, incluso desastres. Para garantizar la estabilidad de un proyecto de ampliación de una autopista cerca de un estanque en la sección Qinbei, se realizó una serie de investigaciones in situ, pruebas de laboratorio y análisis numéricos. El asentamiento y desplazamiento de monitoreos en sitio se realizaron durante el período de construcción para verificar los resultados analizados. Se encontró que el asentamiento desigual provocó un fuerte asentamiento y desplazamiento del terraplén; por lo tanto, se produjeron grietas netas y grietas longitudinales en la autopista. El nuevo terraplén también se vio afectado por la debilidad de los cimientos; por lo tanto, los cimientos deben reforzarse antes de la construcción de la parte de ampliación. Teniendo en cuenta la economía y la eficacia del proyecto de ampliación, se recomendó el método de sustitución del refuerzo débil de los cimientos basándose en el análisis numérico y los resultados de motorización in situ. El bombeo de agua tuvo un efecto significativo en el asentamiento del terraplén. El bombeo de agua provocó filtraciones en los cimientos y aumentó la tensión efectiva del suelo, consolidando los cimientos. La pendiente del estanque debería reforzarse antes de la construcción del terraplén porque no estaba confinada por el suelo circundante. Por lo tanto, el suelo de la pendiente no podía proporcionar suficiente presión pasiva y se deslizaba fácilmente.

El crecimiento del tráfico está fuertemente correlacionado con la economía1. El desarrollo del sistema de tráfico puede estimular el intercambio de bienes y generar más oportunidades de empleo. Además, el crecimiento económico puede estimular las inversiones en la construcción del tráfico. La autopista Lanhai (G75) se puso en funcionamiento en 2010 para crear comunicaciones sólidas entre las regiones del norte y del sur de China. Con el desarrollo de la Zona Económica del Golfo de Guangxi Beibu2,3 y el aumento de las comunicaciones con otros países, comenzaron a producirse atascos y problemas viales con frecuencia en la autopista Lanhai4,5. La construcción de una nueva autopista es un proyecto que requiere mucho tiempo y mucho dinero; por lo tanto, la ampliación de la autopista puede ser un enfoque más factible6,7,8,9. El enfoque de ampliación de la autopista puede hacer un buen uso de los recursos terrestres y también ahorrar dinero y tiempo. Por ejemplo, la autopista Guangfo se construyó en 1997 y se terminó en 1999, y este proyecto requirió casi un año menos en comparación con su construcción original.

Generalmente, la ampliación de la autopista se ejecuta mediante tres métodos: ampliación integrada, ampliación separada y ampliación híbrida10. El ensanchamiento integrado se puede dividir en ensanchamiento unilateral, bilateral e interno (Tabla 1). En el método de ampliación interior, la franja mediana se transfiere a un carril para vehículos. Además, el método de ensanchamiento interno presenta pocas perturbaciones y puede construirse fácilmente; sin embargo, en este caso las áreas de ampliación son pequeñas. El ensanchamiento separado se puede dividir en ensanchamiento unilateral y bilateral. El método de ensanchamiento híbrido combina las características del ensanchamiento integrado y separado.

Aunque el enfoque de ampliación de la autopista es útil y económico, enfrenta algunos problemas críticos durante los períodos de diseño, construcción y operación. Durante la ampliación de la autopista, generalmente se producen grietas largas, grietas netas y asentamientos desiguales en las autopistas originales debido a pavimentos o cimientos débiles11,12,13. Además, las deformaciones no coordinadas de las subrasantes nuevas y antiguas afectan en gran medida las partes ensanchadas de las autopistas14,15,16,17,18. Como las antiguas subrasantes generalmente se utilizan durante muchos años y los cimientos se consolidan y deforman bajo su peso propio, así como bajo las cargas de los vehículos y las vibraciones, los cimientos y las antiguas subrasantes se vuelven estables. Sin embargo, durante los proyectos de ampliación, las nuevas construcciones de terraplenes pueden soportar cargas adicionales y asentarse gradualmente. Sin embargo, las nuevas subrasantes no pueden asentarse bajo cargas de vehículos y vibraciones; por lo tanto, aparecen grietas en el límite de las subrasantes nuevas y antiguas.

Para solucionar este problema de asentamiento inconsistente se han realizado ensayos con modelos19,20 y análisis numéricos21,22,23,24 para evaluar la deformación de las vías rápidas ensanchadas. Generalmente, los asentamientos inconsistentes son inducidos por los suelos25,26,27,28,29,30 y el agua31. La reducción del nivel del agua subterránea disminuye la presión de poros en los suelos y, en consecuencia, aumenta el estrés efectivo de los suelos32,33,34,35,36,37, lo que lleva a la consolidación y asentamiento del suelo; por tanto, los cimientos se deforman significativamente. Por lo tanto, es necesario reforzar los cimientos para evitar este problema. El refuerzo de cimientos se lleva a cabo mediante los siguientes métodos: (a) se utilizan rutas físicas y químicas para consolidar nuevos cimientos directamente, (b) se usan cimientos compuestos o pilotes para aumentar la rigidez de los nuevos cimientos, y (c) se usan nuevos materiales para rellenar terraplenes38,39,40,41.

La autopista Qinbei es una sección de la autopista Lanhai y es uno de los principales canales para conectar las ciudades del sur de Guangxi en Qinzhou con Beihai. Sin embargo, en los últimos años, el aumento del tráfico ha creado una fuerte presión sobre la autopista Qinbei. Para reducir el costo del proyecto de ampliación de la autopista, se ha adoptado el método de ampliación unilateral del enfoque de ampliación integrada. Sin embargo, la sección Qinbei está ubicada en el área de suelo blando del sur de Guangxi, y algunas partes que se ensanchan cruzan grandes capas de suelo blando. Especialmente en el tramo K2119 + 550 − K2119 + 700, un estanque cerca del terraplén suministra suficiente agua a los poros de la débil cimentación. El presente trabajo se centró en los cimientos de suelo blando en la provincia meridional de Guangxi. Teniendo en cuenta la influencia del agua subterránea, se estudiaron los efectos del método de sustitución sobre la estabilidad del terraplén ampliado. Finalmente, se discutieron las características de deformación de los terraplenes nuevos y antiguos.

El proyecto de ampliación de la autopista se lleva a cabo en las ciudades de Qingzhou y Beihai, en el sur de Guangxi, con tres depósitos: depósito aluvial-pluvial, depósito coluvial y depósito residual. Las capas del suelo son las siguientes: La capa de depósito aluvial-pluvial estuvo compuesta por arcilla, limo, arena fina, arena media y arena gruesa. La profundidad de la capa de depósito aluvial-pluvial era de aproximadamente 1 a 3 m y contenía materia orgánica. A continuación, la capa de depósito residual estaba compuesta de arcilla, arena y grava. La profundidad de la capa de depósito residual era de aproximadamente 0 a 3 m y se encontraba en un estado plástico duro. Finalmente, la capa de depósito coluvial estuvo compuesta por arcilla, limo, arena fina, arena media y arena gruesa. La profundidad de la capa de depósito coluvial era de unos 3 m y se encontraba en estado plástico.

Para obtener los parámetros mecánicos de rocas y suelos, se realizan una serie de pruebas, como la prueba de corte directo (DST), la prueba de compresión triaxial (TST), la prueba de penetración estándar (SPT), la prueba de penetración dinámica (DPT), la relación de carga de California. La prueba (CBT) y la prueba de compactación supervisora (PCT) se ejecutaron de acuerdo con el estándar chino GB 50021-200942. Las cantidades de muestra de la investigación se ilustran en la Tabla 2, y los diferentes procesos de prueba se muestran en la Fig. 1. Los parámetros del suelo blando se enumeran en la Tabla 3.

Diferentes procesos de prueba.

La autopista Qinbei es una parte esencial de la autopista Lanhai (G75) y conecta la zona sur de Guangxi con Beihai. La autopista Qinbei comienza en el condado de Gaoqiao y termina en el mar de Maowei, y su longitud total es de 51,96 km. La autopista original se construyó en 2010 y es una autopista de cuatro carriles de dos vías con un ancho de terraplén de 28,0 m. El terraplén tiene un ancho mediano (muro anticolisión central) de 3,2 m, una calzada de 4 m × 3,75 m, un arcén de 2 m × 4,0 m y un arcén de suelo de 2 m × 0,9 m. Para este proyecto planificado se adoptó el método de ampliación unilateral del enfoque de ampliación integrada y la velocidad diseñada fue de 120 km/h. Una vez finalizado el proyecto de ampliación, el tramo K2119 + 550 – K2119 + 700 se convertirá en una autopista de dos vías y ocho carriles y aumentará significativamente el volumen de transporte.

La sección K2119 + 550–K2119 + 700 tiene un área de cimentación débil. El ancho de la superficie del nuevo terraplén es de 33,0 m, la relación de pendiente del terraplén es de 1:1,5 y la altura de relleno es de 10,3 m. La base blanda tiene una profundidad de aproximadamente 4,0 m y está cubierta con una capa de suelo arcilloso limoso. Cerca de la autopista hay un estanque que mide aproximadamente 35,0 m de ancho, 42,0 m de largo y 4,5 m de profundidad. El nuevo terraplén se ilustra esquemáticamente en la Fig. 2. Los resultados del DPT revelaron que el suelo blando tuvo 13 impactos, 17 impactos, 17 impactos, 17 impactos, 20 impactos, 25 impactos, 32 impactos, 36 impactos y 50 impactos en el área ampliada. parte cerca del estanque a lo largo de la profundidad. Según el método de cálculo recomendado por el Instituto de Investigación y Diseño Arquitectónico de Guangdong43, las capacidades de carga del suelo blando se determinaron como 82 kPa, 100 kPa, 100 kPa, 100 kPa y 114 kPa a lo largo de la profundidad; por lo tanto, no podría cumplir con la capacidad de carga diseñada. Por lo tanto, el suelo blando fue tratado antes de la construcción de los cimientos.

Diseño del proyecto de ampliación.

El terraplén original consta de una capa de relleno artificial y un estrato cuaternario subyacente (Fig. 3). La altura de llenado oscila entre 0 y 20 m. La pendiente de llenado tiene tres escalones, y cada escalón tiene una altura de 8 my un ancho de 1,5 m. Las tasas de pendiente para los pasos 1 a 3 son 1:1,5, 1:1,75 y 1:2 de arriba a abajo. La pendiente del terraplén de la autopista original es baja y suave, y la altura de la pendiente es mayoritariamente inferior a 20 m. En la antigua autopista se producen saltos de vehículos, grietas en el pavimento y escalonamiento de los estribos debido al asentamiento de la cabeza de puente del terraplén. La compacidad del relleno detrás del pilar es baja; por tanto, la deformación y daño del pavimento se producen en el tramo de transición.

Autovía original.

Tras más de 10 años de funcionamiento, se han producido numerosos daños en algunos tramos del pavimento (Fig. 4). Aunque la autopista ha sido reparada todos los años, con frecuencia se producen daños en el pavimento, como desniveles parciales, grietas netas y grietas longitudinales, debido al creciente volumen de tráfico. Estos daños se han producido principalmente en el tramo de unión de relleno y excavación o en la parte de alto relleno del tramo del terraplén debido al asentamiento desigual del terraplén o a la insuficiente resistencia de la base del pavimento.

Formación de socorro de la antigua autopista.

La base del pavimento está compuesta de macadán estabilizado con cenizas volantes de cal. Sin embargo, se informa que el macadán estabilizado con cenizas volantes de cal tiene algunas desventajas en comparación con el macadán estabilizado con cemento. Por ejemplo, la superficie de las bases de macadán estabilizadas con cenizas volantes de cal se vuelve blanda debido a la intrusión de agua más rápidamente que la de los pavimentos estabilizados con cemento. Las grietas aparecen en los pavimentos estabilizados con cemento debido a la falta de un sistema de drenaje interno completo. El contenido de partículas finas en la capa de grava de cenizas volantes de cal del pavimento antiguo es alto, la resistencia al lavado con agua es baja y la estabilidad del agua es pobre.

El antiguo pavimento lleva mucho tiempo en funcionamiento y su resistencia es insuficiente; por tanto, se producen fácilmente daños en la sección de unión de la excavación y en el área de alto relleno de la sección del terraplén. El proyecto de ampliación ha adoptado el método de ampliación unilateral del enfoque de ampliación integrada para reducir las deformaciones no coordinadas de los terraplenes nuevos y antiguos. Por lo tanto, este proyecto debe realizar un diseño adecuado de empalme del terraplén.

Se desarrolló un modelo numérico bidimensional del terraplén propuesto en el software ABAQUS, y el tamaño y las dimensiones del modelo fueron consistentes con los del proyecto de ampliación real (Fig. 5). El modelo de estrato tenía una longitud de 234 m y un ancho de 53,4 m. Los anchos de la parte superior e inferior del terraplén fueron 61,1 my 92,0 m, respectivamente, y el ancho del terraplén recién rellenado fue de 33,0 m. La altura de relleno fue de 10,3 m, la relación de pendiente fue de 1:1,5 y la profundidad de reemplazo de la base blanda fue de 4,9 m con un colchón de arena de 1,0 m. Para facilitar los cálculos, se redondearon la longitud y el ancho del estanque. El estanque estaba a 2,0 m del nuevo terraplén y tenía una anchura de 40,0 m y una profundidad de 4,5 m. Se utilizó el modelo Cam-Clay modificado para simular la capa de lodo y se adoptó el modelo de Mohr-Coulomb para simular las otras capas. El tipo de elemento del suelo fue CPE4R. Se utilizaron trece pasos de análisis con una malla de 26.199 elementos para evaluar la estabilidad de los taludes de los terraplenes.

Diseño del modelo numérico.

Se hicieron las siguientes suposiciones durante la construcción del modelo numérico: (i) el antiguo terraplén y todas las capas de suelo eran homogéneas e isotrópicas y (ii) la base blanda reemplazada con grava y el colchón de arena también eran homogéneas e isotrópicas. Además, se aplicaron las siguientes condiciones de contorno: (i) la parte inferior del modelo era fija, (ii) los límites izquierdo y derecho eran horizontales y fijos, y (iii) la superficie superior estaba libre.

Los parámetros físicos y mecánicos de cada capa de suelo del modelo numérico se presentan en la Tabla 4. Para analizar los efectos del agua subterránea, los materiales de relleno y el método de reemplazo sobre la estabilidad del terraplén, se consideraron dos casos diferentes para el modelo numérico. modelado: Caso A: Paso 1: La base blanda se reemplazó con grava. Paso 2: Se colocó el colchón de arena y se rellenó el terraplén. Paso 3: Se bombeó agua del estanque. Caso B: Paso 1: La base débil fue reemplazada con grava. Paso 2: Se colocó el colchón de arena y se rellenó el terraplén.

El asentamiento final a lo largo del nuevo terraplén a una profundidad de 1 m se muestra en la Fig. 6. Es notable que después de la ampliación del terraplén, el nuevo terraplén se fue asentando gradualmente. En comparación con otras partes del terraplén, el asentamiento de la parte reemplazada fue más prominente. Al mismo nivel de asentamiento del terraplén, el asentamiento aumentó con la distancia más cercana a la parte reemplazada. El asentamiento máximo en el Caso B fue de 0,46 cm, mientras que el valor en el Caso A fue de 2,48 cm. Aunque se utilizaron materiales poco compresibles en lugar de piedras trituradas, la consolidación de los cimientos continuó bajo la nueva carga permanente; de ahí que la fundación poco a poco se consolidó y estabilizó.

Asentamiento final de la superficie del terraplén.

Es evidente a partir de las curvas de asentamiento del terraplén bajo las condiciones de bombeo y sin bombeo que el método de bombeo tuvo un efecto significativo en el asentamiento del terraplén. Las diferencias máxima y mínima fueron 4,01 cm y 1,14 cm, respectivamente, lo que indica que el agua subterránea también afectó significativamente la estabilidad del terraplén. Además, la diferencia de asentamiento entre la parte reemplazada y otras partes del terraplén fue profunda, lo que implica que el bombeo de agua influyó en gran medida en el asentamiento del área reemplazada. Después del bombeo de agua, el nuevo terraplén proporcionó una carga más permanente a los cimientos y el nivel del agua subterránea disminuyó debido a la filtración. Según el principio de tensión efectiva, el exceso de presión de poro se disipó y la tensión efectiva aumentó; por lo tanto, la estructura del suelo se comprimió, lo que provocó el asentamiento del terraplén.

El desplazamiento y el gráfico de nubes de la pendiente del terraplén se muestran en la Fig. 7. Está claro que el asentamiento del terraplén tuvo la influencia más significativa en el desplazamiento en la cima de la pendiente y el rango de influencia alcanzó casi 15 m. El asentamiento del terraplén también tuvo un gran impacto en el desplazamiento en la mitad de la pendiente (profundidad = 9 m), mientras que tuvo poca influencia en el desplazamiento en la parte inferior de la pendiente (profundidad = 5 m). La profundidad de influencia del nuevo proyecto de ampliación fue de unos 5 m porque la altura del relleno del terraplén era de 10,3 m.

Comparación de los desplazamientos finales de talud.

En el caso A, el desplazamiento máximo del fondo de la pendiente fue de 1,76 cm, el desplazamiento mínimo en la parte superior de la pendiente fue de 0,72 cm y el desplazamiento en el medio de la pendiente fue de 1,08 cm. El desplazamiento en la base de la pendiente fue aproximadamente 2,5 veces mayor que en la cima de la pendiente. Debido al terraplén libre de la parte superior e inferior de la pendiente, el suelo se deslizó hacia afuera en el proceso de consolidación por peso propio. Además, el peso propio del suelo en la parte inferior de la pendiente era mucho mayor que en la parte superior de la pendiente, y la carga deformaba horizontalmente los cimientos. Por lo tanto, el desplazamiento en la parte inferior de la pendiente fue mucho mayor que en la parte superior de la pendiente.

En el Caso B, los desplazamientos máximos en la parte superior, media e inferior de la pendiente fueron 0,66 cm, 0,99 cm y 1,54 cm, respectivamente, que fueron 1,09, 1,09 y 1,14 veces menores que los del Caso A, respectivamente. El bombeo de agua del estanque redujo el nivel del agua subterránea; así, el suelo se consolidó en dirección vertical y horizontal y provocó asentamientos de terraplenes y desplazamientos de taludes. Según los resultados del análisis numérico, se adoptó la condición de no bombeo durante la construcción del tramo de ampliación.

El seguimiento del asentamiento se llevó a cabo en la superficie del terraplén, mientras que el seguimiento de la inclinación se ejecutó en la pendiente del terraplén. Se utilizaron medidores de nivel hidrostáticos y tubos inclinómetros para el monitoreo de asentamientos y de inclinación, respectivamente. Los medidores de nivel hidrostático se colocaron a lo largo de la línea central del nuevo terraplén y del borde de la carretera a una profundidad de aproximadamente 1 m (10 dm). Se colocaron tres tubos inclinómetros en la parte superior, media e inferior del talud del terraplén a profundidades de 14,5 m, 10 m y 9,5 m, respectivamente. El diseño del equipo de monitoreo y los procesos de instalación se muestran en las figuras 8 y 9, respectivamente.

Reemplazo esquemático de la nueva disposición del instrumento de monitoreo de terraplenes.

Instalación de instrumentos de monitoreo en sitio.

Los terraplenes originales se pueden reforzar mediante lechada. La deformación por asentamiento de las carreteras nuevas debe controlarse estrictamente, especialmente en cimentaciones blandas y en los tramos de unión de relleno y excavación. El tramo estudiado ha discurrido por zonas de cultivo y zonas bajas de la red fluvial, siendo la mayor parte de estas zonas terraplenes de suelo blando; por tanto, la estabilidad del terraplén se ve gravemente perjudicada. Debido a las malas condiciones de drenaje, el terraplén puede deslizarse fácilmente durante la construcción de la carretera.

De acuerdo con las diferentes características de cada sección de cimientos débiles, se recomiendan las siguientes medidas: (a) Se debe adoptar el método de reemplazo para terraplenes de suelo blando poco profundos y (b) se deben usar cimientos compuestos para terraplenes de suelo blando profundos. Cuando la profundidad de reemplazo excede el metro, se deben tomar medidas de protección temporales para garantizar la estabilidad de los terraplenes de las carreteras antiguas. Teniendo en cuenta la economía y la eficacia del proyecto de ampliación de la autopista, se utilizó el método de tratamiento de cimientos débiles como método de reemplazo.

Se utilizaron piedras trituradas (resistencia a la compresión => 5 MPa) y grava (contenido de suelo = <3% y coeficiente de permeabilidad = 0,06–0,006 cm/s) como material reemplazado y material de cojín, respectivamente. La altura de la geomalla era > 6 m y sus parámetros (Fig. 1) se probaron en el laboratorio de acuerdo con el estándar GB/T 17689–200844. En el método de reemplazo se llevaron a cabo cinco pasos (Fig. 10): a. Se excavaron capas de suelo débiles; b. Las débiles capas de suelo se rellenaron con piedras trituradas. C. La superficie de las capas de piedra triturada se rellenó con grava. d. La geomalla se añadió a la capa superior del suelo. mi. La tierra de relleno fue compactada. El proceso de reemplazo de suelo débil se muestra en la Fig. 11.

Pasos del proceso de sustitución.

Proceso de reemplazo de suelo débil.

Los límites de la carretera y los asentamientos de la línea central de los tramos K2119 + 600 y K2119 + 630 se presentan en la Fig. 12. El asentamiento aumentó con la altura del terraplén recién llenado. En el tramo K2119+600, los asentamientos finales fueron de 4,3 mm y 2,5 mm en la línea central y en el borde de la carretera, respectivamente, y los resultados del análisis numérico correspondiente fueron de 4,6 mm y 4,5 mm, respectivamente. En el tramo K2119+630 los asentamientos finales fueron de 3,3 mm y 2,4 mm en la línea central y en el borde de la vía, respectivamente; así, la diferencia de asentamiento entre la línea central y el borde de la carretera fue de 0,9 mm. Por lo tanto, es evidente que la línea central tuvo un asentamiento mayor que el borde de la carretera, lo que implica que se producirían grietas en la línea central del nuevo terraplén debido a que el área de cimentación débil podría aumentar el asentamiento desigual.

Asentamiento del terraplén.

Los desplazamientos del talud del terraplén en los tramos K2119+600 y K2119+630 se presentan en las Figs.13 y 14, respectivamente. En el tramo K2119+600, los desplazamientos máximos en la parte superior, media e inferior del talud fueron 3,72 mm, 5,67 mm y 6,01 mm, respectivamente, y en el tramo K2119+630, los valores correspondientes fueron 9,71 mm, 9,66 mm y 9,73 mm, respectivamente. Las diferencias de asentamiento entre los valores de prueba y numéricos fueron 2,88 mm en la parte superior, 4,23 mm en el medio y 9,39 mm en la parte inferior del talud.

Desplazamientos de talud en el tramo K2119+600.

Desplazamientos de talud en el tramo K2119+630.

Generalmente, las pendientes de los terraplenes no están confinadas por las capas de suelo circundantes; por lo tanto, el desplazamiento en la parte superior de la pendiente es menor que en la parte inferior de la pendiente. En este proyecto, el talud del estanque experimentó una deformación importante (Fig. 7); por lo tanto, el suelo de la pendiente no pudo proporcionar suficiente presión pasiva del suelo. Además, el agua del estanque también ablandó el suelo de la pendiente. Por lo tanto, el desplazamiento en la parte inferior de la pendiente en el nuevo terraplén fue mayor que en la parte superior de la pendiente.

El problema fundamental de este proyecto de ampliación fue el control del asentamiento y desplazamiento de los nuevos y antiguos terraplenes. El antiguo terraplén se ha consolidado durante un período prolongado y el asentamiento es mucho más grande que el nuevo terraplén. El nuevo terraplén se rellena sobre una base de suelo blando. Además, los cimientos débiles se encuentran cerca de un estanque; por tanto, el agua se filtra continuamente en el suelo blando. Si no se refuerzan los cimientos débiles, el asentamiento desigual puede provocar grietas en el nuevo terraplén. Según los resultados de las pruebas de perforación, el antiguo terraplén tiene un asentamiento pequeño, mientras que los cimientos débiles tienen un asentamiento grande, lo que puede causar accidentes graves en esta zona. Considerando el volumen del suelo blando, en esta sección se ha recomendado el método de reemplazo para el tratamiento de cimentación. El método de reemplazo es un método eficaz para cimientos poco profundos y débiles. Bi45 comparó los costos de los tratamientos de cimientos débiles mediante el método de mezcla profunda y el método de reemplazo y notó que el costo del método de reemplazo era aproximadamente 2/3 menor que el del método de mezcla profunda para un área de tratamiento de aproximadamente 20.000 m2 con profundidades de 1,8 a 3,3 metros.

El agua del estanque tuvo una influencia significativa en la deformación del terraplén. El bombeo de agua provocó el asentamiento y desplazamiento del terraplén. Según los resultados de la simulación, el agua bombeada aumentó el asentamiento en más de cinco veces y también aumentó el desplazamiento en casi 1,1 veces. Además, como el bombeo de agua redujo el nivel del agua subterránea de los cimientos, el peso flotante aumentó la carga sobre el suelo; así, el asentamiento aumentó.

El bombeo de agua también afectó la estabilidad de la pendiente del estanque (Fig. 15). Tanto el lado izquierdo como el derecho de la pendiente del estanque se deformaron gradualmente, lo que provocó el asentamiento del terraplén. Una vez bombeado el agua, el nuevo terraplén contó con dos escalones; sin embargo, como el escalón inferior (pendiente del estanque) no fue tratado, se deslizó más fácilmente para soportar el peso del escalón superior. El proyecto de ampliación terminado se presenta en la Fig. 16. El nuevo terraplén se estabilizó después de tres meses de su construcción y aún no presenta grietas y presenta un asentamiento prominente.

Desplazamientos de la pendiente del estanque.

Vistas de pájaro del proyecto terminado.

Para explorar las influencias del agua subterránea y los cimientos débiles en un proyecto de ampliación de una autopista cerca de un estanque en la sección Qinbei, se ejecutaron dos casos de modelado numérico en condiciones de bombeo y sin bombeo. Los principales hallazgos de este trabajo se presentan a continuación.

El asentamiento desigual provocó grietas netas, grietas longitudinales y fuertes asentamientos en el antiguo terraplén. El drenaje y la pendiente de la cimentación se vieron afectados y redujeron la estabilidad del terraplén.

Teniendo en cuenta la economía y eficacia del proyecto, se recomendó el método de sustitución del débil refuerzo de los cimientos. El análisis numérico y los resultados del análisis in situ revelaron que el ligero asentamiento del terraplén después del método de sustitución tuvo un efecto positivo en la base de suelo blando.

El bombeo de agua afectó significativamente el asentamiento del terraplén. Se produjeron fuertes asentamientos y desplazamientos en el nuevo terraplén porque el bombeo de agua provocó filtraciones en los cimientos y aumentó la tensión efectiva del suelo, consolidando más el suelo bajo la carga.

La pendiente del estanque deberá reforzarse antes de la construcción del terraplén. El desplazamiento de la parte superior de la pendiente fue menor que el del fondo de la pendiente porque la pendiente del estanque no estaba confinada por el suelo circundante; por lo tanto, el suelo de la pendiente no podía proporcionar suficiente presión pasiva y se deslizaba fácilmente.

Los datos utilizados y/o analizados en el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Wesley, EM y Eric, D. Revisando la relación entre la congestión del tráfico y la economía: un examen longitudinal de las áreas metropolitanas de EE. UU. Transporte 47, 275–314. https://doi.org/10.1007/s11116-018-9884-5 (2020).

Artículo de Google Scholar

Zhao, Y., Deng, Q., Lin, Q. & Cai, C. Análisis cuantitativo de los impactos de los factores ambientales terrestres en la variación de las precipitaciones en la zona económica del Golfo de Beibu en la costa suroeste de China. Ciencia. Rep. 7, 44412. https://doi.org/10.1038/srep44412 (2017).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Zhang, L. y col. Investigación sobre el impacto de la economía regional en el desarrollo industrial desde la perspectiva del big data. Aplica. Biónica Biomecánica. https://doi.org/10.1155/2021/5990655 (2021).

Artículo de Google Scholar

Luo, J. y col. Respuesta dinámica inteligente de la base blanda marina de Guangxi bajo carga de tráfico. J. Intel. Sistema difuso. 37(4), 4811–4818. https://doi.org/10.3233/JIFS-179317 (2019).

Artículo de Google Scholar

Bai, W., Mu, K., Kong, L., Zhang, W. y Yue, X. Respuesta dinámica y sus características en el dominio de la frecuencia de la subrasante de suelo laterítico bajo carga de tráfico durante la construcción. Adv. Civilización. Ing. https://doi.org/10.1155/2020/8899482 (2020).

Artículo de Google Scholar

Wei, Y., Zhou, W. & Li, Y. Investigación gerencial sobre medidas de tratamiento para el asentamiento diferencial de la subrasante ampliada de la autopista Tianjin-Binhai. En la Tercera Conferencia Internacional sobre Ingeniería Civil y Transporte (ICCET 2013), Kunming, China. 28, 505–506 10.4028/https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.505-506.28 (2014).

Liu, J., Liu, JL & Chen, L. Personajes de ingeniería ampliada de autopista reforzada con geotextil. En Conferencia internacional sobre avances en materiales y procesos de fabricación, Shenzhen, China.1166: 152–153 https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.152-153.1166 (2011).

Du, H., Liu, J., Yuan, Y., Zhang, Y., Song, S., Xiao, H. y Huang, X. Estudio sobre los métodos de mejora del terreno para ampliar la autopista en terreno blando. En la V Conferencia Internacional sobre Ingeniería Civil y Transporte (ICCET), Guangzhou, China. 30: 840–845 (2016).

Xie, M., Li, L., Cao, W., Zheng, J. & Dong, X. Modelado centrífugo y numérico de ampliación de terraplenes sobre suelos blandos tratados con muros de suelo reforzados con geosintéticos soportados por pilotes. Acta Geotech. https://doi.org/10.1007/s11440-022-01611-8 (2022).

Artículo de Google Scholar

Gao, X. Investigación sobre la interacción entre terraplenes nuevos y existentes y técnicas de tratamiento en ingeniería de ampliación de carreteras (Southeast University, 2006).

Google Académico

Yu, H., Wang, Y. & Chen, Y. Causas del agrietamiento de un pavimento existente después de la ampliación de una carretera en una zona de suelo blando. Proc. Inst. Ing. Civil. Transp. 175(3), 168-177. https://doi.org/10.1680/jtran.18.00171 (2022).

Artículo de Google Scholar

Li, K., Xu, W. y Yang, L. Características de deformación del levantamiento y ampliación de una carretera antigua sobre cimientos de suelo blando. Simetría. 13(11), 2117. https://doi.org/10.3390/sym13112117 (2021).

ADS del artículo Google Scholar

Xing, H. & Li, H. Criterio de control para el asentamiento diferencial de una autopista ampliada. En Conferencia Internacional sobre Ingeniería Civil, Arquitectura e Infraestructura Sostenible (ICCEASI 2012), Zhengzhou, China. 238: 818–822, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.238.818 (2012).

Du, G., Wu, C., Zhang, G., Qin, D. y Pan, H. Discusión sobre el método de tratamiento de cimientos de arcilla marina profunda para la extensión de carreteras a orillas del río. J. Ing. Geol. 26(6), 1681–1689. https://doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2017-553 (2018).

Artículo de Google Scholar

Zhang, J. Análisis del comportamiento de deformación de la ingeniería de ampliación de autopistas bajo diferentes tratamientos de cimentación. Mec. de suelo rocoso. 32(4), 1216–1222. https://doi.org/10.16285/j.rsm.2011.04.035 (2011).

Artículo de Google Scholar

Wang, Y., Zhang, L. & Ma, H. Estudio sobre las vigas antiguas en el puente de vigas de losa hueca ensanchado. En la 4ª Conferencia Internacional sobre Ingeniería de Materiales Energéticos e Ingeniería Ambiental (ICEMEE), Kuala Lumpur, Malasia. 38: 03028 https://doi.org/10.1051/e3sconf/20183803028 (2018).

Chen, J., Zhao, S. y Yao, J. La forma de conexión del efecto de puente nuevo y existente en la distribución transversal de la carga del vehículo. En 1er Congreso Internacional de Ingeniería Civil, Arquitectura y Materiales de Construcción (CEABM 2011). 3008 (1–4) 250–253 https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.250–253.3008 (2012).

Fu, Z., Wang, X., Li, H. y Zhou, H. Características de asentamiento diferenciales del terraplén en ampliación. En actas del taller internacional sobre energía y medio ambiente en el desarrollo de pavimentos asfálticos sostenibles. 6: 568 (2010).

Pedersen, AGIH & Broers, H. El comportamiento del subsuelo blando durante la construcción de un terraplén y su ampliación. En Actas de la Conferencia Internacional Centrifuge AA Balkema, Rotterdam, Países Bajos. 94(1): 567–574 (1994).

Wang, H. & Huang, X. (2016) Prueba del modelo de centrífuga y análisis numérico de la ampliación de terraplenes en terreno blando. En actas de la Octava Conferencia Internacional sobre Aplicaciones de Tecnologías Avanzadas en Ingeniería del Transporte, Beijing. 26(4): 548–55310. https://doi.org/10.1061/40730(144)102.

Han, J., Oztoprak, S., Parsons, RL y Huang, J. Análisis numérico de columnas de cimentación para soportar la ampliación de terraplenes. Computadora. Geotecnología. 34, 435–448. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2007.01.006 (2007).

Artículo de Google Scholar

Kamash, EIW & Han, J. Desplazamientos de terraplenes apoyados en columnas sobre arcilla blanda después del ensanchamiento considerando la consolidación del suelo y la disposición de las columnas: análisis numérico. Suelos encontrados. 54, 1054–1069. https://doi.org/10.1016/j.sandf.2014.11.002 (2014).

Artículo de Google Scholar

Yu, H., Wang, Y., Zou, C., Wang, P. y Yan, C. Estudio sobre las características del asentamiento de subrasante después del proyecto de ampliación de una carretera construida sobre cimientos débiles. Árabe. J. Ciencias. Ing. 42, 3723–3732. https://doi.org/10.1007/s13369-017-2469-3 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Jiang, X. y col. Análisis numérico para ampliación de terraplenes sobre suelos blandos tratados con columnas PVD y DJM. En t. J. Pavimento Ing. 21(3), 267–279. https://doi.org/10.1080/10298436.2018.1461869 (2020).

Artículo de Google Scholar

Kanghao, T., Yinghong, Q. y Junsong, W. Evaluación de las propiedades y el potencial de secuestro de carbono del hormigón permeable modificado con biocarbón. Construcción Construir. Madre. 314, 125648. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125648 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Boonchai, U. & Suraparb, K. Una nueva ecuación de diseño para la estabilidad drenada de taludes cónicos en suelos cohesivos-friccionales. J. Rock Mech. Geotecnología. Ing. 10, 358–366. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2017.10.004 (2018).

Artículo de Google Scholar

Wittawat, Y., Suraparb, K. & Suched, L. Estabilidad de pendientes cónicas sin soporte en macizos rocosos de Hoek-Brown. Transp. Infraestructura. Geotecnología. 8, 279–295. https://doi.org/10.1007/s40515-020-00137-4 (2021).

Artículo de Google Scholar

Wittawat, Y., Suraparb, K., Chanachai, T. y Jintara, L. Estabilidad no drenada de taludes cónicos sin soporte en arcillas de dos capas. Innovación. Infraestructura. Solut. 6, 15. https://doi.org/10.1007/s41062-020-00384-x (2021).

Artículo de Google Scholar

Wittawat, Y., Suraparb, K. y Teerapong, S. Estabilidad no drenada de taludes cónicos sin soporte en arcillas anisotrópicas basada en el criterio de falla por corte anisotrópico no drenado. Geotecnología de Infraestructuras de Transporte. 8, 557–568. https://doi.org/10.1007/s40515-021-00153-y (2021).

Artículo de Google Scholar

Boonchai, U., Sothoan, Y. & Suraparb, K. Estabilidad no drenada de excavaciones rectangulares sin soporte en arcillas no homogéneas. Computadora. Geotecnología. 117, 103281. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103281 (2020).

Artículo de Google Scholar

Jing, T., Si, H. & Zheng, Y. Mecanismo de formación y características del deslizamiento de tierra de la autopista K177 de Bei'an a Heihe. Adv. Madre. Res. 422(12), 663–668. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.422.663 (2011).

Artículo de Google Scholar

Delfranche, AP Hundimiento de la tierra versus declive de la cabeza en Texas. En Evaluación y predicción de hundimiento (ed. Saxena, SK) 320–331 (ASCE, Nueva York, 2014).

Google Académico

Chai, JC, Shen, SL, Zhu, HH y Zhang, XL Hundimiento del terreno debido a la reducción de aguas subterráneas en Shanghai. Géotechnique 54(2), 143-147. https://doi.org/10.1680/geot.54.2.143.36332 (2004).

Artículo de Google Scholar

Gambolati, G. & Freeze, RA Simulación matemática del hundimiento de Venecia: 1 teoría. Recurso Acuático. Res. 9(3), 721–733. https://doi.org/10.1029/WR009i003p00721 (1973).

ADS del artículo Google Scholar

Phien, Nueva Jersey, Giao, PH y Nutalaya, P. Hundimiento del terreno en Bangkok, Tailandia. Ing. Geol. 84(2), 187–201. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.10.004 (2006).

Artículo de Google Scholar

Scott, Subsidencia de RF: una revisión. En Evaluación y predicción de hundimiento (ed. Saxena, SK) 1–25 (ASCE, Nueva York, 1978).

Google Académico

Shen, SL & Xu, YS Evaluación numérica del hundimiento del terreno inducido por el bombeo de agua subterránea en Shanghai. Poder. Geotecnología. J. 48 (9), 1378-1392. https://doi.org/10.1139/t11-049 (2011).

Artículo de Google Scholar

Chen, L., Liu, HL y Chen, Y. Análisis numérico del efecto de mejora de los cimientos para la ingeniería de ampliación de autopistas. Mec. de suelo rocoso. 27(11), 2066-2070. https://doi.org/10.16285/j.rsm.2006.11.042 (2006).

Artículo de Google Scholar

Wu, K. y Zhong, L. Establecieron métodos de espacio entre las zonas de trabajo de la autopista en función del retraso de la autopista. En la 2da Conferencia Internacional sobre Ingeniería Civil, Arquitectónica e Hidráulica (ICCAHE 2013), Zhuhai, China. 409–410: 1374–1378 (2013).

Liu, G., Kong, L., Ding, F. & Gu, J. Monitoreo y análisis de asentamientos para cimientos blandos de un proyecto de ampliación de una autopista. Mec. de suelo rocoso. 28(2), 331–335. https://doi.org/10.16285/j.rsm.2007.02.024 (2007).

Artículo de Google Scholar

Bai, Q., Ahmed, A., Labi, S. y Sinha, KC Puntos de referencia del volumen de tráfico para la ampliación de arterias importantes versus la construcción de autopistas: enfoque exploratorio. J. Transp. Ing. Sistema A. 143(8), 04017040. https://doi.org/10.1061/JTEPBS.0000065 (2017).

Artículo de Google Scholar

GB 50021–2001 (versión 2009). Código para la investigación de la ingeniería geotécnica. Ministerio de Vivienda y Desarrollo Rural Urbano de la República Popular China, Administración General de Supervisión de Calidad, Inspección y Cuarentena de la República Popular China. (2009).

Equipo de Preparación de Ingeniería Geológica. Manual de ingeniería geológica (quinta edición) (China Architecture & Building Press, 2018).

Google Académico

GB/T 17689–2008. Geosintéticos: geomallas plásticas. Administración General de Supervisión de Calidad, Inspección y Cuarentena de la República Popular China, Administración de Normalización de la República Popular China. (2008).

Bi, X., Gao, L. y Chen, B. Aplicación e investigación del método de reemplazo en el diseño de tratamiento de subrasante de suelos blandos. Caminos urbanos Puentes Control de inundaciones 4(4), 43–45. https://doi.org/10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.012 (2007).

Artículo de Google Scholar

Descargar referencias

Los autores agradecen el apoyo financiero del Ministerio de Transporte de la República Popular China (Subvención n.º 2021-ZD1-014).

Guangxi Beitou Transporte Mantenimiento Technology Group Co., LTD., Nanning, 530201, China

Chunwei Wu, Junhui Luo y Haifeng Huang

Guangxi Road Construction Engineering Group Co., LTD., Nanning, 530010, China

Du Feng Zhang

Laboratorio clave de Jiangsu de ingeniería subterránea urbana y seguridad ambiental, Escuela de Transporte, Universidad del Sureste, Nanjing, 211189, China

Han Xia

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

Daqin

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

CW, DZ, HX, JL y HH escribieron el texto principal del manuscrito y DQ preparó las figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Han Xia.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Wu, C., Zhang, D., Xia, H. et al. Análisis de las características de deformación del terraplén de un proyecto de ampliación de una autopista cerca de un estanque. Representante científico 13, 717 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24592-w

Descargar cita

Recibido: 11 de junio de 2022

Aceptado: 17 de noviembre de 2022

Publicado: 13 de enero de 2023

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.