軟土地基公路改擴建數值模擬及施工技術研究

許利東 張關欽 張延杰 高買燕 朱貝貝 張家偉

云南建投基礎工程有限責任公司 云南 昆明 650501

近年來，我國西南地區高速公路建設發展迅猛，公路建設日新月異。但在軟土地基公路改擴建工程中，常面臨新舊路基沉降不均勻、地基沉陷、搭接處路面開裂等工程問題[1-5]。軟土地基及新舊路基搭接的處理技術直接影響著公路的使用壽命，也是確保既有線路改擴建成功的關鍵[6]。日本和挪威對新舊路基結合方面的研究較多，而美國、印度等主要解決山區公路的路基拓寬問題[7]。

在國內，軟土地基公路改擴建研究在東南沿海地區較多，而在西南地區該方面研究甚少。為促進該地區公路發展建設，本文對西南某高速公路在軟土地基上的改擴建工程進行研究。

1 工程概況及地質特征

1.1 工程概況

西南地區某高速公路改擴建工程路線全長5.261 km。按一級公路標準改建，設計車速為60 km/h。路基寬度40 m，新路基寬約29 m，舊路基寬約11 m。該工段為路基擴建段，路基全為填方，左側為舊二級路，右側分布農田、水塘。本道路右側擴建部分地基上部2.0～4.0 m主要為淤泥質土、高液限土和有機質土。軟土層強度低，地基承載力基本容許值為90 kPa，無法滿足地基承載力要求。

1.2 地質及氣候特征

該高速公路沿線為同一個地貌單元，屬盆地沖積平原，地勢平緩，公路兩側分布村莊、農田和水塘。項目區冬夏溫差小，晝夜溫差大，干濕季節分明。

2 數值模擬及分析

2.1 數值建模

為實現對該高速公路改擴建工程施工的指導，采用FLAC3D數值軟件對該路堤進行沉降計算[8]。路堤設計寬度40 m，左右兩側為擋土墻，路堤平均高6 m，舊路基寬度約11 m，新路基換填高度平均3 m，換填層上部鋪墊的路基層平均高3 m。該路堤下豎向取20 m，20 m以下硬塑黏土視為不可壓縮層。道路軸線方向及寬度方向各取60 m。土體單元本構關系采用摩爾-庫倫模型，根據地勘報告及回填試驗報告，計算參數如表1所示。模型底部、兩側及路基擋土墻通過位移邊界條件約束。路堤沉降三維數值模型如圖1所示。固結沉降計算時間30個月，地下水位為路面下1.7 m。

表1 力學參數

圖1 路堤沉降三維數值模型

2.2 數值分析

2.2.1 固結沉降分析

經過固結沉降計算，得到路基表面固結沉降曲線如圖2所示。30個月后固結沉降量最大值為22 cm，沉降量最大的位置不在道路中心處，而是向新路基側偏移。總體而言，舊路基固結沉降量小，新路基固結沉降量大。

圖2 路基表面固結沉降曲線

舊路基在長期荷載作用下，固結沉降量小；新路基下部清淤換填，上部分層鋪墊，雖經過分層碾壓，但固結作用時間短，所以在后期路面荷載作用下，新路基沉降量大于舊路基，且沉降量最大值向新路基側偏移，不在道路中心線位置處。

2.2.2 水平應力分析

從x方向的水平應力云圖（圖3）可知，藍色到淺綠色表示水平方向壓應力逐漸減小，黃色到紅色表示拉應力逐漸增大。在路堤內，從兩側向中央位置，拉應力逐漸減小，但在舊路基內，水平拉應力較為明顯，存在應力集中的現象，而新路基側水平拉應力相對較小。路堤以下基土在水平方向主要為壓應力，且由上往下逐漸增大。在新舊路基搭接處，拉應力由下往上、由新路基向舊路基逐漸增大。從x方向水平應力分布趨勢看，新舊路基水平拉應力分布不均勻、不對稱，搭接處應力集中現象較為明顯。

圖3 x方向水平應力云圖

通過固結沉降和水平應力分析，在后期道路使用過程中，新路基沉降量大，舊路基沉降量小，新舊路基沉降不均勻；水平拉應力分布不均勻、不對稱，新舊路基搭接處應力集中作用明顯，易造成路面結構破壞、開裂、錯臺等病害的發生。

3 控制技術方案及措施

3.1 軟土地基公路改擴建技術

該高速公路在軟土地基上的改擴建工程采用“清淤換填＋縱向臺階開挖＋土工格柵鋪墊”的施工關鍵技術，新舊路基結構如圖4所示。

圖4 新舊路基結構

在軟土上拓寬路基，多采用軟土加固和換填等方式，以提高地基承載力，降低新舊路基拼接產生的不均勻沉降，保證路面結構的完整性。該擴建段里程較長，達5.2 km，軟土層厚2～4 m，清淤換填方式較為適用，且工程費用低。經綜合考慮，選擇清淤換填方式處理軟土地基，換填深度為2～4 m，采用片、碎石處置。

該路段利用現二級路進行改擴建，新舊路基搭接采用“縱向臺階開挖＋土工格柵鋪墊”方式進行處理。在搭接處，舊路基開挖成寬度大于2 m、內傾斜度大于4%的縱向臺階，以此使新舊路基能夠以相互嵌入的方式緊密結合，從而提高新舊路基的整體性。在路槽下鋪設3層50 kN雙向鋼塑土工格柵，利用土工格柵與土的摩擦作用、土對土工格柵的被動阻抗作用、土工格柵孔眼對土體的鎖固作用及加筋補強作用，提高搭接處土體強度，抵抗水平拉應力的應力集中作用。該措施解決了水平拉應力分布不均勻、不對稱和應力集中等問題。

3.2 軟土地基處理工藝流程及控制措施

針對本道路右側擴建部分地基上部2～4 m的淤泥質軟土換填和新舊路基搭接施工，須采取相應控制技術措施，來保證軟土地基公路改擴建的施工質量。

3.2.1 軟基處理工藝流程

施工準備→測量放線→清淤清表→非適應性土挖出→換填片石及砂礫料→分層夯實→質量檢查

3.2.2 清淤換填技術控制措施

1）粒徑控制。回填料應選用水穩性或透水性好、風化程度低、強度高的材料。回填料應達到合理的粒徑和級配，確保壓實后無明顯的空隙、空洞。本工程清淤換填采用了不易風化的片石，飽水抗壓強度大于15 MPa，最大粒徑不超過層厚的2/3。

2）松鋪厚度控制。填筑前用標志桿確定松鋪厚度，并用細尼龍繩與標志桿相連，控制松鋪厚度。填筑時根據標志桿上標識進行回填，每層回填完后立即進行攤鋪碾壓。

3）壓實度控制。采用振動壓路機對回填路段分層進行壓實。施工中壓實質量由壓實遍數、松鋪厚度、沉降差綜合控制，石料強度、粒徑應符合有關的規定，并逐層壓實至回填層頂面石塊穩定。

4）沉降控制。對新路基采取一年多的車輛碾壓措施，同時對路基的不同測點進行高程沉降差觀測。

3.3 新老路基搭接工藝流程及控制措施

3.3.1 縱向臺階開挖施工技術

在新舊路基搭接處設置坡度向內大于4%、寬度大于2 m的臺階。回填時選用級配較好的礫類土、砂類土、碎石填筑，壓實度不小于96%。

3.3.2 土工格柵鋪墊施工技術

施工工藝流程：檢測、清理下承層→人工鋪設土工格柵→搭接、綁扎、固定→攤鋪上層路基土→碾壓→檢測。

路槽下鋪設3層50 kN雙向鋼塑土工格柵。安裝鋪設的土工格柵主要受力方向（縱向）應垂直于路堤軸線。土工格柵鋪設應平整、無皺折，不得卷曲扭結，盡量張緊，相鄰2幅格柵搭接0.2 m。鋪設完土工格柵后，人工鋪設上層填料，及時完成碾壓，避免長期暴曬。

4 工程實施效果

該高速公路在軟土地基上通過“清淤換填＋縱向臺階開挖＋土工格柵鋪墊”方式進行改擴建。施工后，經一年多的沉降觀測和路面質量檢查，搭接處尚未發生錯臺、路面開裂等病害，數值模擬計算的沉降值最大處幾乎無沉降變形，道路中心位置及右側未見裂縫發生，路面平整。經數值模擬對軟土地基上公路改擴建的分析指導，采取的施工關鍵技術措施有效地解決了新舊路基的沉降不均勻，水平拉應力分布不均勻、不對稱，應力集中等問題，施工效果良好。

5 結語

該工程應用FLAC3D軟件對路堤進行三維沉降變形模擬分析，并指導施工。在“清淤換填＋縱向臺階開挖＋土工格柵鋪墊”施工關鍵技術及其控制措施下，實現了良好的施工效果。研究得到以下結論：

1）數值計算得出新路基沉降量大于舊路基，且沉降量最大值向新路基側偏移；新舊路基水平拉應力分布不均勻、不對稱，搭接處應力集中現象較為明顯。

2）新路基側2～4 m的軟土地基采取清淤換填技術措施進行處理，根據數值分析的沉降規律，通過對壓實度、粒徑、松鋪厚度等嚴格控制，及后期一年多車輛對新路基的碾壓措施，縮小了新舊路基間不均勻沉降的差異。

3）新舊路基搭接處采取“縱向臺階開挖＋土工格柵鋪墊”措施進行施工，根據數值分析的水平應力分布規律，通過縱向臺階開挖和土工格柵鋪墊，增強了路基搭接處的抗拉強度及路基的整體穩定性，避免了搭接處路面病害的發生。

4）通過FLAC3D軟件對路堤的沉降計算分析，實現對軟土路基上公路改擴建工程的施工指導，施工效果良好，可為類似工程提供借鑒依據。