公路拓寬工程中沉降控制復合地基的優(yōu)化設計

呂振北 趙文明

摘 要：依據(jù)沉降控制設計理論，本文對公路的相關設計規(guī)范進行分析，結(jié)合其路面功能、結(jié)構(gòu)要求，提出公路拓寬工程中沉降控制復合地基的優(yōu)化方法。同時，以某公路拓寬工程為例，對其混凝土復合地基的差異化沉降進行分析，驗證本優(yōu)化方法的準確性。仿真結(jié)果顯示，混凝土樁長為8 m，樁徑為0.5 m，摻入比為15%，面積置換率為8.9%，其復合地基的承受力可以達到150 kPa。總之，對公路拓寬工程中沉降控制復合地基參數(shù)進行優(yōu)化設計，可以提高軟基公路拓寬工程的施工效果，并節(jié)約相應的成本。

關鍵詞：公路拓寬;混凝土攪拌樁;沉降率控制;復合地基優(yōu)化

中圖分類號：U416.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0092-04

Abstract： Based on the theory of settlement control design， this paper analyzed the relevant design specifications of highways， and combined its pavement function and structure requirements， and proposed an optimization method for settlement control of composite foundations in highway widening projects. At the same time， taking a highway widening project as an example， the differential settlement of its concrete composite foundation was analyzed to verify the accuracy of the optimization method. The simulation results show that the concrete pile length is 8 m， the pile diameter is 0.5 m， the mixing ratio is 15%， the area replacement rate is 8.9%， and the bearing capacity of the composite foundation can reach 150 kPa. In a word， the optimization design of the settlement control composite foundation parameters in the highway widening project can improve the construction effect of the soft highway widening project and save the corresponding cost.

Keywords： highway widening;concrete mixing pile;settlement rate control;composite foundation optimization

目前，我國很多路段的交通量趨于飽和，需要對現(xiàn)有道路進行拓寬，以滿足交通量增長的需求。原有公路經(jīng)過多年運營，存在沉降嚴重的問題，在其邊坡進行公路拓寬，會造成新舊路基的差異化沉降，增加路面開裂等病害的發(fā)生率。如何有效控制新舊路基的差異沉降率，最大限度地降低拓寬對公路結(jié)構(gòu)和功能的影響，提高新舊路基銜接效果，是目前公路拓寬工程亟待解決的問題。本文以軟土地基下的混凝土攪拌樁的復合地基處理為例，分析某公路拓寬工程的效果，旨為公路拓寬工程的施工提供理論支持。

1 沉降控制復合地基的設計

依據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363—2019）要求，在公路拓寬工程中，復合地基設計要符合變形控制設計的原則，滿足公路的實際使用功能，保證公路現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。工程施工實踐顯示，復合地基可以有效減少軟土地基的路基沉降，縮小新舊路基之間的差異沉降。混凝土復合地基優(yōu)化的目的是將路基沉降控制在容許范圍內(nèi)，滿足相應的承載力要求，合理地設計相關參數(shù)，提高公路拓寬的經(jīng)濟效益[1]。

在軟土地基沉降控制中，變形控制理論以傳統(tǒng)的承載力控制理論為基礎，可以為施工單位和建設單位帶來較高的經(jīng)濟效益。在實際施工過程中，采用復合地基處理方式，大多可以滿足地基的承載力需求。此時，公路結(jié)構(gòu)就成為沉降控制設計的主要影響因素。依據(jù)沉降控制理論，要預先分析沉降控制標準，然后在滿足沉降要求的基礎上，提高復合地基的設計效率，節(jié)省施工的相關費用，發(fā)揮公路的實用功能，保持原有的公路結(jié)構(gòu)。

2 軟基公路拓寬工程的沉降控制標準

公路沉降的控制標準是進行軟基工程拓寬的前提，也是有效控制新舊公路路基差異沉降的條件。新建公路路基固結(jié)程度不同，必然會產(chǎn)生差異沉降，但差異沉降需要小于路面的允許值，以保證公路的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]。

2.1 公路設計規(guī)范中的沉降控制相關標準

《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）提出，在軟土地基上，原有公路的拓寬設計需要滿足以下條件：新舊路基拼接前，需要控制兩者之間的差異沉降，原有路基與拓寬路基之間的拱橫坡度小于0.5%，原有路基中心附加沉降小于30 mm，具體指標如表1所示.

2.2 仿真分析沉降控制標準

2.2.1 基本假定。公路拓寬工程假設如下：為了分析公路平面應變問題，可以對路堤進行對稱性分析，取公路地基的一半土樣;路面層、補強調(diào)平層均采用混凝土材料中的非線性彈性計算模型，基層、路堤填土采用Mohr-Clumb材料的彈性計算模型;對公路差異沉降路面結(jié)構(gòu)的應力變化進行分析，忽視路堤的重力作用;土體、墊層、下臥層均被假設為各項均質(zhì)材料，且材料之間不發(fā)生位移，呈現(xiàn)連續(xù)性接觸;拓寬路堤接縫處在經(jīng)過后續(xù)處理后，與原有路堤構(gòu)成整體;邊界條件為約束左邊界水平方向位移，上邊界、右邊界位移自由，下邊界給定[3]。

2.2.2 相關材料的計算參數(shù)。Concrete材料的參數(shù)設定如表2所示，Mohr-Columb材料的計算參數(shù)如表3所示。

2.2.3 邊界約束條件。對左邊界的水平方向進行位移約束，上邊界、右邊界位移自由。對于路堤底面處的邊界，并未對其進行約束，因為路基會產(chǎn)生一定的沉降變形。路堤荷載會在路底面產(chǎn)生位移，所以要對路堤底面進行沉降分布實測。本文選擇的路堤地面最大沉降值為5 cm，其依據(jù)為兩條：軟基公路拓寬工程要求其總沉降小于15 cm，為了實現(xiàn)沉降的雙重控制，將公路地面的沉降值設置<5 cm;《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）明確指出，原有路基中心附加沉降值<3 cm，而路堤自身的荷載對路底變形影響不大，所以計算時忽略重力作用，將公路地面的沉降值設置<5 cm。

2.2.4 混凝土路面計算結(jié)果分析。在路堤底面增加位移條件后，附加拉應力、壓應力的變化如圖1所示。

在路基差異沉降增加時，路面會產(chǎn)生明顯的附加拉應力、壓應力集中現(xiàn)象，使得公路路面層處于受拉狀態(tài)，補強調(diào)平層上部受拉、下部受壓，且最大附加拉、壓應力位于距路面5 m處，且主應力方向與路面垂直。

路面附加拉應力最大值位于距路中6～8 cm處，距新舊地面接縫處4 cm。在新拓寬的路面接縫位置2 cm處，也存在較大的附加拉應力。

路面層頂部的距離變化如圖2所示。路面層底部的距離變化如圖3所示。路面補強調(diào)平層的距離變化如圖4所示。路面補強調(diào)平層頂部與施工后附加拉應力之間的回歸關系如圖5所示。

2.2.5 計算結(jié)果。通過仿真分析可知，新舊公路施工后基層的橫向成正比，與路面最大附加拉應力呈正相關，說明沉降比越大，路面的受壓情況越明顯[4]。當沉降比為0.5%時，附加拉應力為0.67 MPa，超過路面結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定碎石層的極限抗拉強度，會導致路面開裂。綜合相關公路設計標準、路面功能和結(jié)構(gòu)要求，可以對新舊公路橫向沉降比進行調(diào)整，實際變化小于0.45%，并以此作為軟基公路拓寬的差異沉降允許標準。

3 實際案例驗證

依據(jù)上文研究的軟基公路拓寬工程的新舊路基差異沉降的容許標準，下面結(jié)合沉降控制設計理論，對差異沉降的混凝土攪拌樁復合地基進行優(yōu)化，并以某公路為例進行驗證。

3.1 公路概況

按照混凝土攪拌復合樁設計標準進行分析，該公路的軟基層厚度為7 m，層頂填埋深度為1 m。原有軟基處理方式為塑料排水板+砂墊層，其參數(shù)為：行距等于1 m，厚度為50 cm。人們對軟土的特點進行綜合分析，決定采用混凝土復合地基進行處理。混凝土樁長為8 m，樁徑為0.5 m，摻入比大于15%，樁距為1.0～1.6 m。

3.2 計算方法

對拓寬路基下面的軟土層進行基變計算時，要考慮其荷載分布特點和新舊基土之間的影響，所以計算過程比較復雜。為了提高計算結(jié)果的準確性，簡化其計算過程，可以通過仿真方法模擬各種復雜工程條件，將不規(guī)則的路堤進行單位劃分[5]。通過仿真分析，人們可以了解軟土變形、軟土固結(jié)、應力分布規(guī)律，更好地控制混凝土復合地基的沉降。

3.3 相關參數(shù)設定

混凝土復合地基計算參數(shù)的設定依據(jù)《公路地基施工技術規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）中的相關要求[6]，具體內(nèi)容如表4所示。

3.4 沉降計算結(jié)果

通過計算沉降結(jié)果，人們發(fā)現(xiàn)，拓寬路基軟土基層經(jīng)過混凝土攪拌樁加固后，沉降率顯著減少，最大沉降距離為6～8 cm。路基沉降主要以舊路堤坡腳為軸線向兩側(cè)減少，最大沉降發(fā)生在距離路面25 cm的路堤坡腳。混凝土攪拌樁間距由1.2增加到1.6 cm時，舊路面中心處附近的沉降為0.5～1.0 cm，具體情況如圖6所示。

通過上述分析可知，混凝土復合地基可以滿足路基拱橫向坡度變化小于0.45%的標準。但是，如何選擇樁間的距離是混凝土復合地基優(yōu)化的關鍵。由于該公路處于軟土層，而且混凝土摻入比固定，只有通過改變面積置換率，才能實現(xiàn)對樁距的優(yōu)化，具體優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知，如果混凝土復合地基面積置換率過低，新舊路面差異沉降過大，超過差異沉降允許值，就會造成路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷。如果混凝土復合地基面積置換率過高，就會造成路基沉降控制效果較差，增加施工成本。通過上述推算，結(jié)合差異沉降控制標準，路基拱橫向坡度變化小于0.45%，混凝土復合地基面積置換率為8.9%，可以有效發(fā)揮混合地基與土體之間的協(xié)調(diào)作用，有效控制差異沉降率。

3.5 承載力驗算

在混凝土復合地基樁體質(zhì)量可靠的情況下，混凝土樁長為8 m，樁徑為0.5 m，摻入比為15%，面積置換率為8.9%，其復合地基的承受力可達到150 kPa，明顯大于本橫斷面的設計荷載140 kPa，其承載力符合相關要求。

4 結(jié)語

在軟基公路拓寬工程中，人們需要結(jié)合其施工特點和沉降控制理論，合理選擇拓基工程的相關參數(shù)，以提高技術的可靠性、工程的經(jīng)濟性。仿真算法可以綜合考慮新舊路基之間的關系和條件，對相關參數(shù)進行分析，以得到最優(yōu)的設計結(jié)果。研究結(jié)果顯示，路基拱橫向坡度變化小于0.45%，混凝土復合地基面積置換率為8.9%，可以有效發(fā)揮混合地基與土體之間的協(xié)調(diào)作用，有效控制差異沉降率。

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