水泥樁軟土路基路堤沉降分析

梁殷豪

摘要：軟土地基公路的沉降通常與水泥攪拌樁處理位置的不同有關。文章采用有限元方法對既有道路邊坡、既有路基、新建路堤下的樁基對路基和地基沉降特性的影響進行模擬分析；以北方某高速路改擴建工程為例，重點研究樁長、樁間距對路基及地基沉降的影響。研究結果表明，既有路基和新路堤下的樁基對沉降的影響比既有道路邊坡下的樁基更顯著。此外，在既有道路邊坡、既有路基和新建路堤下，隨著樁距的增加，路基和地基沉降也逐漸增加，當樁間距從樁直徑的200%增加到400%時，邊坡的地基面最大沉降從1.76 cm增大到1.85 cm，原有路基和新路堤的地基面從1.44 cm增大到1.96 cm；隨著樁長的增加，路基的基礎沉降減少，當樁長從4.7 m增加到9.7 m，舊路基表面工后最大沉降由-6.2 cm降低到-5.3 cm。

關鍵詞：水泥攪拌樁；軟土路基；沉降分析

中圖分類號：U416；TU471? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0080-04

0 引言

公路的重建和擴建通常穿過軟土區域，軟土具有天然含水量和壓縮性高、承載力低的特點。軟土區域的公路經過多年運行，舊路基的物理性能和力學性能與新路基有很大差異，這種差異導致沉降的差別極大，給加寬的路基和路面帶來額外壓力［1］。因此，軟土基礎處理是目前工程界關注的焦點。

基于厚軟土地基的特性，公路改擴建工程常在路邊舊邊坡上鋪設加固樁，以減少拓寬路基的不均勻沉降。江振華等［2］在廣三高速路改擴建工程研究中，比較新路基樁處理和新舊路基同時樁處理兩種樁處理方式加寬路基后的沉降特性，分析輕質路堤填料對路基沉降的影響。秦立朝等［3］研究滬寧高速鎮江段擴建段新老路基在粉噴樁（坡上和非坡上）作用下的變形對樁長、樁距和側摩阻力的影響。目前的研究一般將邊坡樁和新老路基樁聯合考慮，缺乏對邊坡樁和非邊坡樁的單獨研究。為填補前人研究空白，本文以北方高速路改擴建工程為案例進行有限元數值模擬，比較水泥攪拌樁不同長度和距離下既有路面坡度、既有路基和新路堤情況下的沉降特性，研究結果可為今后的路基拓寬工程提供參考。

1 路基有限元模型

為模擬路基路面的整體結構，本研究做以下假設：①路基和地基土為均質、連續、各向同性的彈塑性材料；②將材料屈服準則與Mohr-Coulomb理想彈塑性本構模型相結合，形成本構土模型；③路基與地基土的接觸是連續的，完全黏結；④新老路基在施工過程中不發生相對滑移；⑤基礎左右兩側受水平約束，基礎底部受水平和垂直約束；⑥只有基礎表面有排水；⑦路面荷載相當于1m高填荷載，車輛荷載相當于均勻分布的10 kPa荷載。

本案例的舊路基高3.47 m，寬28 m，填充物為粉質黏土，具體工程設計如圖1所示。在兩側加寬7 m后，新路基高度為4.1 m，填充石土。新老路基的坡度比為1∶1 .5。地基寬度和深度分別為29.15 m和20 m，其中沙墊層為0.5 m，泥質黏土層為7.2 m，黏土層為12.3 m。此外，基礎水位于基礎表面以下1 m處。考慮到雙面加寬路基的對稱性，本工程采用一半的計算面積。根據《軟土地基上公路路堤設計與施工技術規范》中的要求，加筋土樁的直徑不應小于0.5 m，相鄰樁之間的距離不應大于樁直徑的4倍［4］。

2 路基沉降計算結果

2.1 不同樁距下沉降的對比分析

在既有道路邊坡下，設定樁長為10.7 m，在既有路基和新路堤下，設定樁長為7.2 m。為分析高速路改擴建工程中水泥攪拌樁間距對新舊路基沉降的影響，本案例研究以下兩種情況：①既有道路邊坡下水泥攪拌樁的樁間距固定為樁徑的300%，既有路基下水泥攪拌樁和新建路堤下水泥攪拌樁的樁間距則不相同，分別為樁徑的200%和400%。②既有路基和新路堤下水泥攪拌樁的樁間距固定為樁徑的300%，對于分層填筑完工時對應的路基沉降，只需考慮填土荷載的附加效應，在施工后期則需考慮路面荷載和車輛荷載的附加效應。

圖4為不同樁距下高速公路加寬路基表面分層沉降情況。當新路基填滿1 m時，老路呈現抬升趨勢，老路中心處抬升幅度最大。當填充高度增加到3 m時，舊路基面呈“反撓曲盆地”形狀，舊道路中心再次出現最大抬升。隨著與老路中心距離加大，老路面上各點抬升量逐漸減小，在距離老路肩1.3 m處抬升量為0。進一步增加與老路中心的距離會導致高速公路路基逐漸沉降［5］，在舊路肩處達到最大沉降。舊路面最大沉降量隨既有路面樁間距的增大而增大，特別是在充填高度為3 m時，最大沉降值由0.33 cm增加到0.38 cm，因此高速路改擴建工程中應控制填充高度。同時，高速公路舊路面最大沉降量在既有路基和新路堤下也有相同趨勢，在3 m填筑高度處由0.27 cm增加到0.38 cm。隨著新路基荷載的增加，路基高度達到4.1 m，加寬路基的地表沉降逐漸形成“撓曲”形狀，其中舊道路中心沉降最大。隨著與舊路中心距離的不斷增加，加寬路基的地表沉降逐漸減小，表明高速路改擴建工程不會對新路基產生影響。

圖5為高速路改擴建工程中新路基完成后舊路基表面的沉降情況。完工時，舊路基中心在所有情況下均出現抬升現象，抬升沉降分界點發生在舊路肩內側3 m處。越靠近分界點，抬升值越小，越靠近舊路肩，沉降值越大，在老路肩處沉降達到最大值1.16 cm，進一步表明高速路改擴建工程中舊路基沉降值較大，需要采用水泥注漿等方式防止舊路基發生較大沉降。樁間距與舊路地表沉降呈顯著正相關關系，樁間距越大，沉降增加越大。隨著原有路基和新路堤樁距的變化，高速公路舊路面的最大沉降從0.8 cm增加到1.16 cm，而在原有道路邊坡下，最大沉降從0.92 cm增加到0.98 cm。圖6為不同樁距下路基面相對于舊道路中心的工后差異沉降曲線，可以觀察到曲線呈“倒鐘形”分布；加寬路基越靠近新路肩，沉降差越大；新路肩處的沉降差最大。對比高速路改擴建工程前原有路基和新建路堤下坡樁間距變化，可以發現隨著樁間距的變化，拓寬路基面最大差分沉降量分別由1.36 cm提高至1.51 cm，由此判斷高速路改擴建工程中需要加固舊路基面。

高速路改擴建工程新路基竣工后，新老路基發生了不同程度的變形，如圖7所示。既有道路邊坡下或既有路基與新路堤下樁間距的變化并未影響地基沉降。總體上，老路基中心處地基呈抬升趨勢，靠近加寬側地基沉降。隆起沉降的拐點位于舊路基趾部內側6 m處，高速路改擴建過程中地基沉降在新舊路基交界處最大，在新路基腳處逐漸減小，隨后抬升。隨著樁間距從樁直徑的200%增大至400%，坡面的地基面最大沉降由1.76 cm增大到1.85 cm，原有路基和新路堤的地基面最大沉降由1.44 cm增大到1.96 cm。圖8為高速路改擴建工程完工15年后，新舊路基下不同樁距相對于舊道路中心基礎的差異沉降曲線。隨著與老道路中心距離加大，新老路基下基礎的工后差異沉降量先增大后減小，最后呈逐漸增大的趨勢。最大差異沉降集中在靠近舊路坡腳處。同時，高速路改擴建工程完工后地基表面最大差沉降分別從1.63 cm變化至1.84 cm。

2.2 不同樁長下沉降的對比分析

為綜合分析水泥攪拌樁長度對高速路改擴建工程新舊路基沉降的影響，本案例采用以下2種條件 ：①泥質黏土處邊坡樁長保持不變（7.2 m），既有路基和新路堤下基礎樁長變化（4.7 m、7.2 m、9.7 m）。②既有路基和新路堤下基礎樁長保持不變（7.2 m），泥質黏土處邊坡樁長變化（4.7 m、7.2 m、9.7 m）。當分層填筑完工后路基發生沉降時，只需考慮填土荷載的附加效應，而對于工后路基沉降則需考慮路面荷載和車輛荷載的附加效應。

圖9為既有路基和新路堤下樁長為4.7 m時加寬路基截面沉降變化情況。無論是改變邊坡樁長，還是改變原有路基和新路堤下的樁長，高速路改擴建工程前后路基地表沉降的變化趨勢都一致。當高速公路新路基填筑高度較低時，舊路面抬升；當填筑荷載增加時，舊路面開始下沉，舊路肩處的沉降最大；停止新路基土荷載后，舊路中心沉降最大，新路肩沉降較小。

圖10為不同樁長下舊路基表面工后沉降情況。改變樁長（既有路基和新路堤下的邊坡樁）不影響舊路基表面拋物線沉降曲線形狀，但會改變舊路基施工后表面的最大沉降值，因此高速路改擴建工程中應注意樁長的具體位移。將原有路基和新路堤下的樁長從4.7 m提高到9.7 m，使舊路基表面工后最大沉降由-6.2 cm降低到-5.3 cm，可進一步降低高速路改擴建工程中路基的沉降。

3 結論

本文采用有限元數值模擬方法，分析某高速公路拓寬工程軟土基礎攪拌樁不同位置下路基和地基的沉降特征。根據研究結果，可以得出以下關鍵結論。

（1）高速路改擴建工程中既有道路邊坡和既有路基與新路堤下的路基沉降均隨樁距增大而增大，因此高速路擴建時，應保證樁距不能過大。鑒于既有路基和新路堤下的樁距對沉降的影響大于既有路坡的影響，高速路改擴建時，需著重關注既有路基和新路堤的沉降，可以通過水泥灌漿等方式減少其沉降。

（2）既有道路邊坡、既有路基和新路堤下路基的基礎沉降隨樁長增大而增大，但既有路基和新路堤下的樁長對沉降的影響比既有路坡下樁長對沉降的影響更為顯著，因此高速路改擴建工程中要著重對既有路基和新路堤進行處理。

4 參考文獻

［1］孫玉潔.軟土地區水泥土攪拌樁路基長期沉降特性的數值分析［J］.中國水運（下半月），2022，22（7）：117-119.

［2］江振華，楊東興，楊志偉，等.拓寬深厚軟基區道路樁長優化分析［J］.山東交通學院學報，2021，29（3）：71-78.

［3］秦立朝，楊素娟，徐國元.泡沫混凝土的強度特性分析及在路堤填筑中的沉降數值模擬［J］.公路工程，2018，43（1）：281-285.

［4］王艷芳，周治剛，徐宏.軟基低路堤下小型構筑物路基縱向差異沉降控制研究［J］.中外公路，2011，31（4）：22-26.

［5］俞錫健，何連生，徐嘯海，等.鐵路軟土路堤地基后期沉降的研究［J］.路基工程，1995（1）：13-18.