高速公路拓寬軟土路基差異沉降分析理論與工程實踐現狀

范黎明

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

高速公路拓寬軟土路基差異沉降分析理論與工程實踐現狀

范黎明

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

軟土地區高速公路路基拓寬改建工程中，由于新舊路基地基土的固結特性、應力路徑及承載力等方面的顯著差異性，加之新填路基對舊路基的附加荷載效應，新舊路基的沉降速率和累積沉降量會顯著不同，往往造成新舊路基間較大的差異沉降，嚴重時會導致路基縱向拉裂等病害。就高速公路拓寬軟土路基差異沉降分析理論研究進展和地基處理的實踐經驗現狀進行歸納總結，分析既有研究成果中的不足之處，探討進一步深化研究的方向和可能路徑。

高速公路；拓寬；軟土路基；差異沉降；理論分析；地基處理

0　引言

隨著交通流量的迅速增長，拓寬改建早期建成的高速公路已成為必然需求。在軟土地區高速路基拓寬改建時，新舊路基的地基土在固結特性、應力路徑及承載力等方面具有顯著差異性，加之新填路基對既有路基的附加荷載效應，新舊路基的沉降速率和累積沉降量會顯著不同，路基處理措施不當往往造成新舊路基間較大的差異沉降，嚴重時會導致路基縱向拉裂、下沉過速、路基脫空、拓寬路基失穩和新路面整體性下降等病害，從而影響高速公路的正常運營。

自20世紀90年代末以來，我國廣佛、滬杭甬、沈大、滬寧、津濱、唐津、京津塘等高速公路相繼擴建加寬，因高速公路改擴建工程相關的理論分析和施工經驗相對不足，高速軟土路基拓寬過程中的上述病害問題時有發生，尤其是在早期實施的改擴建工程中廣泛存在［1，2］。目前，就高速公路軟土路基拓寬而言，設計與施工規范涉及較少［3］，如《公路路基設計規范》（JTG D30-2004）對拓寬路基的規定較為簡略［4］。本文擬就國內高速拓寬軟土路基差異沉降理論分析研究進展及路基處理工程實踐現狀予以簡述，分析既有研究成果中的不足之處，探討進一步深化研究的可能路徑。

1 理論及實踐概述

1.1差異沉降理論分析研究現狀

軟土路基拓寬方面的理論分析主要考慮路基不同的應力水平、固結程度和地基處理方法等因素，計算加寬新路基地基處理前后的路基應力應變關系以及由其引起的老路基附加沉降、新舊路基差異沉降，分析新舊路基結合部在不同處治措施下的應力應變特性以及對減小新舊路基差異沉降的影響，并進行新舊路基的整體穩定性分析，預測通車后交通荷載作用下新舊路基的工后沉降及差異沉降［1］。理論分析主要有以下三類方法。

（1）數值計算方法

目前，設計施工中計算固結沉降的方法以分層總和法為主，在新舊路基差異沉降計算中，許多人也應用分層總和法做了很多有益的探討，但應用分層總和法沒有考慮新舊路基的相互影響，在新舊路基結合處的差異沉降計算值偏大，不能有效地反映差異沉降的橫斷面形狀。并且，分層總和法只能計算出地基頂面的不均勻變形，卻無法反映出路堤頂面的實際沉降橫斷面圖，而后者才影響著路面結構的受力狀態［5］。目前對應力和變形的計算主要采用有限元或有限差分法等數值計算方法。

數值計算方法中，鑒于三維模型建模非常復雜且耗用的計算資源相當多，目前所采用的計算模型基本上為平面模型，只有極少數文獻采用了三維模型［5］。

對于路基土的本構模型，土力學中發展了很多，這些模型的參數不同，所得的計算結果也存在程度不同的差異。國內文獻應用的本構模型類型比較多，主要以摩爾-庫侖模型和鄧肯-張模型為主，也有用修正劍橋模型及DP模型，但很少有關于不同本構模型計算結果差異比較方面的研究。

國內方面，周志剛［6］較早開展路基拓寬的研究，他運用彈性力學平面應變有限元法，分析了新路在自重作用下的沉降和應力分布規律，但其假設路基土體為完全彈性，且只考慮了路堤本身，不考慮路基沉降。汪浩［7］采用基于二維比奧（Biot）固結理論分析了新路堤作為附加荷載對老路堤和地基的影響，包括新舊路堤頂面產生的不均勻沉降、橫坡比的改變和水平位移，新路堤的最大沉降和水平位移，拼接加寬對路堤和地基的應力狀態的影響等。孫偉［8］對于高速公路拓寬工程，采用有限元方法分析了無處理情況下地基及填方路基的變形性狀，以及模量變化對地基及填方路基沉降的影響，認為路基頂面最大沉降和橫向差異沉降隨軟土層模量增大而減小，但未考慮固結問題。錢勁松［9］基于ANSYS運用DP模型對老路拓寬工程（無路基處理）進行了非線性平面應變有限元分析，分析了拓寬方式和拓寬寬度對差異沉降的影響，總結了差異沉降的規律，同時，還提出在相同地質條件下，采用雙側拓寬對路面結構比較有利。蔣鑫［5］對舊路拓寬進行了全過程的三維彈塑性有限元數值模擬，包括新路基的填筑，路面各結構層的鋪筑及輪載最不利位置的施加等，重點分析了新舊路基不均勻沉降變形及應力分布的規律，認為均一路基自重作用下位移、應力等力學響應對稱分布的狀況因路基的拓寬而改變了，產生了向新拓寬路基部分集中的趨勢。章定文［10，11］采用彈塑性有限元參數分析方法，探討了在不同加寬路堤寬度、不同軟土層厚度、不同的新舊路堤剛度比時，加寬路堤的填筑對老路變形規律的影響，其地基土和路堤填料均采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型。

陳磊［12］以既建高速公路地質資料為背景，采用Plaxis對高速公路拓寬工程中新、老路基采用不同處理方法的效果進行了數值模擬。模擬計算中對樁采用摩爾-庫侖模型，對軟土等采用修正劍橋模型。歸納起來，以上研究主要是采用有限元計算，在建模過程中考慮不同的加寬路堤厚度、軟土層厚度、路基土模量變化、新舊路堤模量以及新舊路堤的臺階拼接等工況，固結計算大多采用一維固結理論，考慮的荷載主要有路堤、路面自重應力和均布的路面行車荷載，計算分析了新舊路基在施工過程和行車荷載作用下的沉降和應力分布規律，而且大多是結合路基處治措施，也有分析結合路面結構進行。

國內進一步的數值分析對鋪設土工合成材料、砂墊層、粉噴樁、攪拌樁隔離墻、CFG樁等拓寬路基處治方法以及鋪設土工格柵、挖臺階等新舊路堤拼接方法進行了研究，揭示了各自參數變化對路基內應力和變形的影響以及處治效果。馮戰［13］研究采用土工網新舊路基結合部的差異沉降問題，研究新路基填土加筋后路基的沉降、水平應力、剪應力，并與實測數據進行比較。邢良［14］運用ANSYS軟基就軟土地基上舊路加寬結構在不同的情況（主要指不同的路基高度、不同軟土層厚度、不同的加筋層數等）下，對土工合成材料減少新舊路基不均勻沉降的效果進行分析計算，討論了軟土地基上加寬路堤在不同情況下的變形特征和沉降規律。晏莉［15］針對老路拓寬時采用人工合成材料處治結合部的特點，將新舊路基、路面結構作為整體，從路基位移、路基頂面應力及土工合成材料拉力分布等方面，研究土工合成材料處治新舊路基結合部的作用機制，分析不同加筋層數和不同路基填土高度下的處治效果。吳瑞麟［16］采用ADⅠNA軟件對土工格柵處理拓寬路堤不均勻變形的作用效果進行了分析和監測驗證，認為土工格柵對減小路堤不均勻豎向附加變形、側向位移以及基底不均勻附加應力有顯著效果。章定文［17］采用二維彈塑性有限元法探討了深層攪拌樁隔離墻處理擴建部分軟基的適宜性和可行性，證明了設置隔離墻對新舊路豎向沉降改善作用明顯，同時分析了隔離墻設置在不同位置時的作用效果。蘇超［18］采用平面有限元法就隔離墻在工程中的作用進行數值模擬，給出了隔離墻兩側的受力分布及位移規律，表明隔離墻可有效地減少錫澄高速公路拼接后公路主線中心的附加沉降量。于國鋒［19］用有限元方法對粉噴樁的處治效果進行了分析，認為隨著粉噴樁作用深度和置換率的增加，路基的沉降量降低，不均勻沉降變形的程度減少。李茂英［20］采用有限元法對佛山-開平高速公路拓寬工程標準斷面進行分析，采用不同參數計算出水泥土攪拌樁復合地基的新舊路基差異沉降。

（2）模型試驗方法

模型試驗方法以小比尺的物理模型試驗達到再現原型特性的效果，通過模型研究拓寬路基的應力與位移場規律，可以與數值計算方法互為驗證。國內外常用的模型試驗是離心模型試驗，模擬軟土地基、新舊路基有加筋土工情況下的沉降和孔隙水壓力情況，預測路基的變形和穩定性，評價處理效果。

國內有南京水利科學院、東南大學進行了離心模擬試驗，研究了路基內的應力和以及孔隙水壓力變化情況，并采用數值方法進行了模擬。

離心模型試驗在保證原型與模型幾何相似的前提下，可保持它們的力學特性相似，應力應變相同，破壞機理相同，變形相似［21，23］，但在模擬路堤軟土路基誤差時，如土的密度、均勻度、結構性等，模擬材料相似等難題沒有很好解決，還需要不斷發展改進。

（3）結合現場試驗與監測的反分析法

通過現場試驗段的監測來對拓寬路基應力應變進行研究以驗證理論分析和計算結果，是一種實用和可靠的方法。監測的內容一般包括施工過程的新舊路基沉降、土壓力、水平位移、孔隙水壓力等內容。由于地基參數的可靠性影響到計算結果，室內試驗結果不能在宏觀上完整地反映特定地點和條件下的力學性質，而拓寬路基的變形控制又比較嚴格，因此，利用現場實測資料，采用參數反分析的方法來確定地基參數，以綜合反映拓寬路基的基本特性，再利用有限元方法計算拓寬路基的應力應變特性和預測工后沉降，是一種較好的研究方法。

謝家全［24］利用實測資料，采用參數反分析法來修正試驗參數后，將拼接荷載再逐級施加，使以后的沉降計算更加切合實際。章定文［3］也提到在錫澄高速公路與滬寧高速公路的拼接工程中，地基參數反分析的方法得到了較好的應用。綜合而言，對新建高速公路沉降的反分析比較多，但對于拓寬路基，由于其加載過程特殊，引起的應力和應變規律相對復雜一些，目前在這方面的研究工作偏少。

1.2軟土路基拓寬地基處理技術現狀

拓寬路基的設計和施工關鍵是實現對差異沉降的合理有效控制，而穩定性要求一般容易滿足，不是研究重點。拓寬軟基一般都需要采取處治措施，才能達到控制新舊路基差異沉降的目的。拓寬軟基的處治技術主要包括地基和結合部的處治。

（1）拓寬工程地基處理方法

嵇如龍等［25］根據軟土地基上道路拓寬所出現的不均勻沉降和路面裂縫等病害，從軟土地基沉降入手，并結合軟土地基處理、新舊路基結合部位處理等進行分析研究，通過高、低路堤試驗路段的實踐，提出比較合理的路基拓寬處理方法。張濤［26］分析了公路加寬后新舊路基差異沉降給公路帶來破壞的原因，提出了設計及施工措施的方法。國內滬杭高速公路（2001）拓寬工程（采用預應力管樁結合土工格柵）、南京繞城高速公路擴建工程（2003）（采用PCC現澆薄壁管樁結合土工格柵碎石墊層）以及滬寧高速公路擴建工程（2003）（采用預應力管樁和鋼筋網）等都在部分路段采用了這種地基處理方法，并取得較好效果。河海大學（2003）也對滬寧高速公路拓寬工程中采用的樁網復合地基處理進行了現場試驗研究。吉文志［27］結合淤泥河試驗路段的詳細設計施工情況及沈大路加寬技術研究課題組的研究成果，論述了塑料排水板法在沈大路軟土路基段加寬工程中的適用性。另外，郭志邊等［28］以錫澄-滬寧高速公路拼接段工程為例，結合工程造價、處理效果對公路路堤拼接的地基處理方法進行了分析探討，認為折線定噴、小角度擺噴的分離式定噴墻方案能明顯減少原有路堤的工后沉降，施工方便、快速、經濟。

（2）新舊路基結合部處治技術

為了使加寬部分路堤和既有路堤緊密銜接形成整體，減少新舊路堤的不均勻沉降，防止路面開裂，加寬工程中經常采用土工合成材料處理。對土工合成材料在軟土地基上加寬路基工程中的應力應變特性，楊茂等［29］成功地將土工合成材料應用于我國內蒙古5103線喇嘛灣—大飯鋪段公路改建中，解決了路基下沉和新舊路基土體結合處路面反射裂縫等公路病害問題。李鎖平等［30］將土工格柵砂礫墊層用于軟基上既有道路改造工程，認為土工格柵砂礫墊層能夠有效地加強新填路基與既有路基的整體性，提高地基的承載力，解決路基的不均勻沉降。何通海［31］針對高速公路改擴建工程的特點，對軟土地基段新舊路基間的銜接技術特別是土工合成材料的應用進行了分析和探討，并提出了相關的設計方案和施工工藝。馮光樂等［32］采用4種離心模型試驗方案，對不同布置方式、不同壓實度情況下的土工合成材料處理橋頭過渡段路基的沉降變形進行了研究，得出土工合成材料處理的主要作用是使過渡段路基臺階型沉降轉化為沉降坡差，而不是降低沉降至某一值，并且得出上部密長的半斷面布置為最優布置的結論。汪浩［7］通過離心模型試驗舊路堤填筑、有無路堤加筋的拼接加寬和極限破壞4種情況，量測加寬過程中不均勻沉降和孔隙水壓的發展以探求新舊路堤的相互影響，對比分析有無路堤加筋加寬的效果，量測加筋路堤中筋材的拉應變分布，并對極限狀態下加寬路堤的破壞方式和位置進探討，輔以試驗段工程，驗證和修正有限元分析的結果。孟慶山等［33］針對高速公路工程高填方路段新舊路堤拼接問題，利用離心模型試驗手段，進行提高填料壓實度灰改性措施下拼接路堤協調變形試驗研究，結果表明：拼接路堤壓實度提高能效減小路堤本身變形，但對差異沉降的控制效果不大；對填料進行石灰改性后，可減小路堤本身的變形，還能減小路面不同部位之間的差異沉降。

2　目前研究存在的不足

軟土地區高速公路拓寬工程，由于理論技術和分析模式的復雜性，當前設計和施工方法大都是沿襲了新建路基的設計和施工方法，針對拓寬路基的設計和施工方法多為經驗性，缺乏充分的系統理論研究，主要存在以下幾個方面的問題。

（1）理論分析方法方面

從已有文獻報道來看，新舊路基應力應變分析的計算模型還偏于理想，進行了過多的簡化，而且大多以二維模型為主，也不能較真實地模擬實際施工工況。由于老路基已固結多年，且存在如塑料排水板、粉噴樁等人工處理措施，但目前沒有將新路基和老路基的土體參數選取區別對待，因此計算參數的選取不盡合理科學，也無法明確考慮參數的變異性。在數值模擬中，基本上沒有考慮荷載、地下水位等邊界條件的變化，而這此變化對路基變形的影響是不能忽視的。軟土具有流變性質，研究表明，軟土路基的蠕變變形比較顯著，不能被忽略，但目前的理論計算中都未考慮軟土變形的時間效應問題，故對拓寬路基中長期變形的預測并不全面可靠。目前的數值分析大都基于傳統的有限元分析，而新舊路基的沉降發生到最終裂縫的產生將伴隨著大變形和裂紋，因此在分析過程中必須選用合適的數值分析方法以模擬路基的裂縫問題。

（2）新舊路基的相互作用方面

新舊路基在施工和運營過程中，由于老路基的開挖、新路基的填筑以及交通荷載和地下水滲流的改變等因素，新舊路基之間必然會存在相互的作用。這種相互作用對新舊路基分別會產生怎樣的影響，需要進行系統的研究。通過分析不同施工和運營條件下的新舊路基的應力應變特性來確定合適的設計和施工方法，以保證路基加寬工程在施工和運營過程中的穩定。這方面的研究相對較少，而對于加寬工程施工和運營過程中的新舊路基的相互作用特性有待于進行深入的研究。

（3）拓寬路基處理技術方面

拓寬軟基處理方法上，盡管已有多種處理方法實踐和理論計算，但仍然存在拓寬路基與老路基特別是原構筑物連接處的地基沉降控制不理想，運營一段時間后路面出現縱橫向裂縫的問題。目前，拓寬路基處治方法主要有地基樁加樁帽、土工格柵、砂墊層等，新舊路堤拼接結合部處治方法有開挖臺階、鋪土工格柵等，但對這些方法如何綜合應用，方案如何優選，以及在拓寬路基差異沉降控制方面的綜合效果都缺乏研究和評價，數值模擬結果也不十分可靠，因而實際設計和施工中存在一定的盲目性，造成不必要的浪費。由于高速公路擴建加寬工程工期緊、施工場地狹窄，同時還要維持既有公路的正常交通運輸等原因，軟基處理方法的優選是應解決的關鍵技術。

擴建加寬工程設計中一個重要問題是如何處理填方段新舊路基之間的銜接，即如何處理新舊路堤的不均勻沉降。要采取有效的技術措施保證加寬路基與舊路基的良好銜接，使其成為一個良好的整體，避免或減少橫向錯臺和縱向裂縫。目前這方面的設計和施工方法大多為經驗性的，臺階開挖的尺寸、內傾的角度、壓實的密度，加筋材料協調變形的機理、加筋的位置、數量等都存在較大的差異，都缺乏必要的理論分析。另外，對于加寬、加筋路基的穩定性分析也需要進行深入的研究。

3　進一步研究展望

（1）軟土路基拓寬差異沉降機制及理論研究

基于軟土路基拓寬工程病害問題調研，總結軟土路基拓寬工程差異沉降規律。基于現場試驗監測的反分析，開展軟土路基拓寬離心模型試驗分析，分析試驗過程中變形及應力場變化特征、裂紋產生和發展規律，為建立系統的差異沉降理論分析方法奠定基礎，并在此基礎上，對已有的復合地基沉降計算公式進行修正，提出軟土路基拓寬工程地基沉降計算簡化模式。

（2）軟土路基拓寬工程設計及優化

針對目前軟土路基拓寬工程新路基處置中常用的一些地基處理方法，如：剛性樁復合地基（帶帽預應力管樁）、柔性樁復合地基（水泥土攪拌樁）、淺層換填地基（加筋換填墊層）、輕質填料路堤（ESP、泡沫輕質土等）等，采用數值計算方法研究具體工況條件下復合地基設計參數（樁徑、樁間距、樁長、樁身強度）、墊層厚度、加載速率、沉降速率及累計沉降量指標等。通過對設計參數的優化，提出相應的地基處理優化處置方案。

采用數值計算方法研究新舊路基相互作用及土工合成材料在新舊路基結合部連接中的作用機理，優化路基拼接設計參數（銑坡坡率、臺階高寬比），分析比較不同土工合成材料、不同埋設位置、不同加筋數量、搭接長度等條件下的加筋材料對于路基拼接時路基沉降、應力集中和整體穩定性等的改善作用，確定合理的新舊路基結合部的工程處理技術措施。

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U416.1

A

1009-7716（2015）05-0043-05

2015-01-04

范黎明（1956-），男，天津人，助理工程師，從事巖土工程勘察及監測工作。