高速公路軟土地基拼寬方案及沉降分析研究

姜在田 方 磊

(1.中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司 南京 210014； 2.東南大學(xué)交通學(xué)院 南京 210096)

目前高速公路改擴(kuò)建工程日趨增多，在我國東部沿海軟土發(fā)育地區(qū)，由于軟土的特殊工程性質(zhì)，需要對軟土地基進(jìn)行處理，滿足路基穩(wěn)定和沉降的相關(guān)要求。由于原路基已通車多年且保持穩(wěn)定，表明原路基的地基處理方案能夠滿足路基穩(wěn)定的要求，同時拼寬路基考慮新舊路基拼接的差異沉降，其軟土地基處理的強(qiáng)度一般情況下均超過原有路基的處理強(qiáng)度，故拼寬路基穩(wěn)定性一般情況下不存在問題，拼寬路基的處理方案主要由新舊路基的差異沉降決定。

新舊路基拼寬施工完成后，其軟土地基的固結(jié)程度仍然存在差異，在荷載的作用下，新舊路基會產(chǎn)生較大的差異沉降，嚴(yán)重時會造成路面結(jié)構(gòu)開裂、塌陷，影響通行安全和使用年限，增加了維護(hù)成本?！陡咚俟犯臄U(kuò)建設(shè)計細(xì)則》中明確拼寬部分路基工后沉降應(yīng)滿足橋頭處不大于5 cm 、通道及涵洞處不大于10 cm 、其他一般路段不大于15 cm 的要求。同時差異沉降控制應(yīng)滿足拼寬路基的路拱橫坡度增大值不大于0.5% 、相鄰路段差異沉降引起的縱坡變化不大于0.4% 的要求[1]。新舊路基拼接的差異沉降控制是高速公路改擴(kuò)建工程中的一個難點(diǎn)。

1 軟土地基拼寬方案的經(jīng)濟(jì)性分析

高速公路軟土地基常采用水泥攪拌樁、預(yù)制管樁、高壓旋噴樁、CFG樁等方法進(jìn)行處理。

水泥攪拌樁用于處理一般軟土地基，而預(yù)制管樁用于沉降控制比較嚴(yán)格的軟土路段，高壓旋噴樁用于凈空受限的軟土路段，CFG樁一般用于十字板抗剪強(qiáng)度不小于20 kPa的軟土地基。水泥攪拌樁和預(yù)制管樁在高速公路建設(shè)中應(yīng)用更加廣泛，故本文主要研究水泥攪拌樁和預(yù)制管樁這2種樁型對新舊路基差異沉降控制的影響。

拼寬路基地基處理的樁長可根據(jù)軟土的埋深和厚度確定，而樁間距成為影響工程造價和處理效果的關(guān)鍵因素。按4車道高速公路拓寬為8車道高速公路，單側(cè)橫向拼寬寬度為7.5 m，縱向長度1 000 m考慮，采用不同的樁間距設(shè)計方案，其所需的工程造價見表1、表2。

表1 水泥攪拌樁工程造價對比表

表2 PTC管樁工程造價表

由表1、表2可見，水泥攪拌樁樁間距從1.5 m調(diào)整至1.2 m，工程造價增加60%；PTC管樁樁間距從3.5 m調(diào)整至2.0 m，工程造價增加161.8%。而樁間距的調(diào)整又影響新舊路基之間的差異沉降，影響公路的行車安全，如何在工程造價和差異沉降之間尋找一個平衡點(diǎn)是工程設(shè)計人員關(guān)注的重大問題。本文采用軟件模擬計算樁型及樁間距對差異沉降的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)工程設(shè)計，在保證安全及沉降要求的基礎(chǔ)上降低工程造價，以獲得良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

2 拼寬路基差異沉降數(shù)值模擬

對于拼寬路基的差異沉降，規(guī)范中未明確具體的計算方法[2]。對于沉降的計算一般采用單向的解析解(基于e-p曲線或壓縮模量的分層總和法)，如目前應(yīng)用比較廣泛的理正沉降計算軟件。對于復(fù)雜的沉降計算問題可采用二維 (基于彈塑性力學(xué)平面問題的有限元計算)或三維有限元的數(shù)值模擬。有限元可采用非線彈性、彈塑性、黏彈塑性等多種描述土體本構(gòu)模型。還可考慮復(fù)雜的邊界條件、水與骨架上應(yīng)力的耦合效應(yīng)，并能求出任一時刻的沉降、水平位移、孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化。目前常用的計算軟件有ABAQUS、FLAC、ANSYS等。由于路基沉降可看成平面應(yīng)變問題，因此，可以采用二維有限元進(jìn)行沉降的數(shù)值模擬。

本文基于二維比奧固結(jié)理論[3]，利用FLAC軟件[4]，考慮流固耦合，采用摩爾-庫侖理想彈塑性模型進(jìn)行數(shù)值模擬。現(xiàn)以某高速公路南郭莊橋橋頭路基拼寬為例，模擬樁型、樁間距、路基填土高度對新舊路基差異沉降的影響。

2.1 工程概況

某高速南郭莊橋址處詳細(xì)土層地質(zhì)資料[5]見表2?？紤]現(xiàn)場處地基中分布有2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地基處理擬采用水泥攪拌樁和PTC管樁進(jìn)行處理，樁長取28 m。

2.2 數(shù)值建模

模型選取高速公路橫斷面，路基寬度26 m，路基拼寬寬度7.5 m，路基邊坡坡度1∶1.5，由于路基具有幾何對稱性，故采用一半模型進(jìn)行計算分析。FLAC路基模型見圖1。

圖1 FLAC路基模型

1) 力學(xué)邊界條件。對底部邊界節(jié)點(diǎn)的3個方向進(jìn)行約束，相當(dāng)于固定支座；對水平兩側(cè)的邊界條件進(jìn)行水平約束；路基厚度取單元厚度，對所有節(jié)點(diǎn)的路基厚度方向均進(jìn)行約束，等價于平面應(yīng)變分析。

2) 滲流邊界條件。地下水位線為地表下2 m深度，水位線以上軟基土體和路堤填土孔隙水壓為0，深度為30 m時，邊界為透水邊界，其余為不透水邊界。

3) 初始應(yīng)力。地基上初始應(yīng)力按自重應(yīng)力考慮為有效應(yīng)力，由計算得出。

4) 本構(gòu)模型。原狀路基采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，路堤填土采用彈性模型進(jìn)行加載。路堤填土施工計算采用分階段的彈塑性求解方法。

根據(jù)地質(zhì)資料，分6個土層進(jìn)行分析，摩爾-庫侖模型主要計算參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模擬主要參數(shù)表

5) 單元結(jié)構(gòu)。原狀路基土和路堤填土均采用平面單元進(jìn)行模擬。PTC管樁和水泥攪拌樁采用樁單元(pile)模擬，pile單元屬于二維單元，可在網(wǎng)格單元間傳遞剪切力、法向力及彎矩，能夠承受點(diǎn)荷載和分布荷載。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

模擬計算水泥攪拌樁和PTC管樁2種地基處理方案，樁長28 m。水泥攪拌樁梅花形布置，樁間距分別取1.2，1.3，1.4，1.5 m；PTC管樁正方形布置，樁間距分別取2.0，2.5，3.0，3.5 m，數(shù)值計算的工況見表4。在填土高度為2，3，4，5，6，7 m情況下，水泥攪拌樁和PTC管樁處理拼寬部分沉降曲線見圖2、圖3。

表4 數(shù)值模擬計算工況表

圖2 不同樁間距下拼寬部分地基沉降曲線圖(28 m水泥攪拌樁)

圖3 不同樁間距下拼寬部分地基沉降曲線圖(28 m PTC管樁)

從圖2、圖3可以看出，隨著填土高度的增加，拼寬路基地基沉降顯著增加。由于拼寬部分新增的路基荷載重心向原路基外側(cè)移動，所以拼寬路基地基的最大沉降位置向拼寬的路基中心方向移動，在拼寬路基中心位置下方達(dá)到最大沉降值。

3 樁間距對拼寬路基地基沉降的影響分析

水泥攪拌樁處理時，不同樁間距處理拼寬部分地基沉降變化不大, PTC管樁處理時，不同樁間距處理拼寬部分地基沉降變化較水泥攪拌樁處理時明顯。不同填高時水泥攪拌樁與PTC管樁地基處理方案的路基最大差異沉降曲線圖見圖4。

圖4 不同填高時路基最大差異沉降曲線圖(樁長28 m)

PTC管樁處理后的復(fù)合地基沉降較原狀土地基沉降減小40%左右，說明PTC管樁在加固軟土地基方面效果明顯。

從圖4a)可以看出，采用水泥攪拌樁處理的軟基，填土高度為7 m，樁間距從1.5 m調(diào)整為1.2 m時，地基最大沉降量由14.7 cm減小到13.6 cm，降低量為1.1 cm，降低7.5%。由此可見，對于水泥攪拌樁而言，減小樁間距對于減少差異沉降效果并不顯著。這主要是因?yàn)樗鄶嚢铇稑锻翍?yīng)力較小，一般在3～6 MPa之間，減少水泥土樁的樁間距能夠適當(dāng)增加樁體承擔(dān)荷載的能力，減少樁體承擔(dān)的荷載沉降，但并不能明顯減小土體部分承擔(dān)的荷載和沉降。

從圖4b)可以看出，采用PTC管樁處理的軟基，填土高度為7 m樁間距由3.5 m變化到2.0 m時，地基最大沉降量由10.5 cm減小到6.7 cm，降低量為3.8 cm，降低36.2%?？梢姌堕g距減小時，地基沉降量降低較為明顯。由于管樁樁土應(yīng)力比較大，一般在20～30 MPa之間，大部分荷載由管樁承擔(dān)，土體本身承擔(dān)的荷載和沉降均較小。減少管樁的樁間距，相當(dāng)于增加了承擔(dān)荷載管樁的數(shù)量，減少了單根樁體承擔(dān)的荷載，從而降低樁體承擔(dān)的荷載沉降。

從圖4還可以看出，對于原道路中心處拼寬后的總沉降量，采用管樁處理明顯優(yōu)于采用水泥攪拌樁處理。采用預(yù)制管樁，數(shù)值模擬結(jié)果路中心處的總沉降量基本控制在10 mm左右，而采用水泥攪拌樁處理，數(shù)值模擬結(jié)果路中心處的總沉降量基本控制在40 mm左右，說明對于路中心沉降控制嚴(yán)格的路段，采用預(yù)制管樁處理是合適的。

4 現(xiàn)場沉降觀測

本實(shí)例現(xiàn)場處填土高度為7 m，設(shè)計時采用預(yù)制管樁處理，正方形布置，樁間距3.0 m?？紤]運(yùn)營期工后沉降觀測的安全問題，在原有道路中央分隔帶處設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，從施工期開始進(jìn)行沉降觀測，直到沉降基本穩(wěn)定后觀測結(jié)束，沉降觀測數(shù)據(jù)見表5。

表5 原有道路中心沉降觀測表 mm

擴(kuò)建工程施工期及工后1年沉降累計沉降5.8 mm，運(yùn)營期觀測時間約2年，運(yùn)營期沉降為2.05 mm，合計總沉降7.85 mm。這與預(yù)制管樁處理數(shù)值模擬結(jié)果路中心處的沉降基本控制在10 mm左右保持一致。

5 結(jié)論

1) 隨著路基高度的增加，拼寬路基地基差異沉降增加，地基表面的最大沉降位置向拼寬部分的路基中心方向移動，在拼寬路基中心位置下方達(dá)到最大沉降值。

2) 對于雙層軟土之間夾一定厚度硬層的地質(zhì)模型來說，如果將軟土層全部進(jìn)行處理，對于拼寬路基的差異沉降，采用 PTC管樁處理效果優(yōu)于水泥攪拌樁，采用 PTC管樁處理能夠顯著降低差異沉降值。

3) 采用水泥攪拌樁處理，填土高度為7 m，樁間距從1.5 m調(diào)整為1.2 m時，地基最大沉降量由14.7 cm減小到13.6 cm，降低量為1.1 cm，降低7.5%。采用減小樁間距來減少差異沉降效果并不顯著。

4) 采用PTC預(yù)制管樁處理，填土高度為7 m，樁間距從3.5 m調(diào)整為2.0 m時，地基最大沉降量由10.5 cm減小到6.7 cm，降低量為3.8 cm，降低36.2%。可見樁間距減小時，地基差異沉降量降低較為明顯。

5) 根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇合理的地基處理方案，在考慮滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，應(yīng)確定適當(dāng)?shù)臉堕g距，以降低工程造價。