軟土地基上高速公路路基擴建加寬中的關鍵問題

劉科　曾琨

摘要 高速公路路基擴建加寬過程中經常面臨軟土地基，軟土地基較低的承載強度及抗變形能力極容易造成新、舊路基差異性沉降，對后續行車安全性造成嚴重威脅。針對軟土地基公路路基加寬沉降特性分析有助于優化路基加固方案設計，確保公路使用性能。文章依托四川省內某高速公路軟土路段路基加寬改造工程開展ABAQUS有限元分析，重點對未加固、水泥攪拌樁復合地基加固的整體沉降響應進行有效評估，研究結果表明，未加固新舊路基加寬施工階段，新、舊路基存在施工荷載導致的不均勻沉降，且路基頂面最大豎向、水平位移分別存在于新、舊路基銜接處及新路基中心處；水泥攪拌樁加固下的新、舊路基變形得到有效加固，路基沉降差異隨樁長增大而減小。

關鍵詞 公路路基；軟土地基；沉降特性；加寬改造

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0123-03

0 引言

隨著高速公路建設規模的不斷擴大，汽車通行數量逐步增多，既有公路擴建加寬工程建設成本相對較低，施工期間較短，能夠有效緩解交通壓力，提升交通服務水平。在高速公路路基加寬過程中經常面臨軟土等復雜地基環境，這不僅容易增大新、舊路基不均勻沉降，后續產生的路基病害也會弱化新、舊加寬路基整體使用穩定性。新、舊路基加寬沉降受到新舊路基施工填筑工藝、填筑材料及土層特性的影響，開展新舊、路基加寬階段沉降特性的研究能夠為路基加固方案優化提供理論支撐，具有重要社會經濟效益。

1 高速公路軟土地基加固方法

1.1 加固樁法

水泥攪拌樁法為公路軟土地基加固常用技術，可分為粉噴成樁法和漿噴成樁法。粉噴成樁法一般適用于軟基深度不大于12 m的情況，漿噴成樁法普遍適用于軟基深度20 m以內的軟土地基加固中。兩種方法都是以水泥作為主要固化劑，通過攪拌樁機將水泥噴入軟土中，促使水泥、軟土之間產生一系列水化反應，提升復合地基承載強度和抗變形能力。水泥攪拌樁樁身強度、樁位布置、水泥摻加量等指標需要通過室內試驗來確定，可與其余工程同步施工[1]。

1.2 排水固結法

軟土地基排水固結法包括荷載加壓系統和排水系統兩部分。排水固結法主要在軟土地基內部構建滲水通道，通過路基上覆填土自重堆載預壓作用，快速排出軟土地基內部水分，加快軟土地基的固結沉降。在堆載預壓過程中，超孔隙水壓力在排水通道排水過程中不斷減小，土體的有效應力逐漸增大，軟土地基最終具備良好的沉降穩定性和強度。排水固結法施工簡潔，原位土體狀態擾動幅度較小，施工成本低，但是施工周期相對較長，加固范圍較小，排水效率受排水板質量、軟土滲透系數、地下水位分布等影響較大，該法主要適用于工期較為寬松的地基處理中。

2 工程概況

四川省某高速公路穿越大范圍山區環境，設計里程50 km，沿線分布有大面積軟土地基，公路設計路面寬度24 m，雙向四車道，設計車速80 km/h，瀝青路面結構層設計。隨著該公路交通量的不斷增大，超載、重載車輛通行量不斷增多，公路服務水平已難以滿足既有交通量需求。項目組擬對該公路進行擴建加寬為雙向八車道，試驗段（K5+200～K6+200）主要為填方路基，路基高程變化較為平緩。經現場地質勘察資料表明，地基土層巖性如下所示：首層為素填土，松散、較濕，厚度1～1.5 m；第二層為淤泥質黏土，含水量較大，呈軟塑狀，壓縮系數較大，層厚4～8 m；第三層為粉質黏土，軟塑狀，壓縮性大，厚度5～8 m；第四層為砂土，中密，壓縮性較低，含水量較大，粉土含量較高，層厚6～10 m。現場主要采取舊路基兩側直接拼寬方案，即在舊路基外側開挖臺階、緊貼邊坡填筑新路基，新、舊路基在試驗路段的平均填筑高度為8 m，均采取軟土填筑材料，舊路基兩側各加寬9 m，加寬后路面總寬度達到了42 m。考慮到舊路基運行時間較長，地基沉降變形已經較為穩定，軟土地基上新建路基和舊路基在施工荷載下極容易出現差異性沉降，引發結構內部應力不均衡導致的路基沉陷、開裂等病害[2-3]。為有效確保路基擴建加寬效果，項目采取水泥攪拌樁地基加固措施進行沉降控制，強化路基的穩定性和一體性。

3 有限元分析

3.1 材料參數

項目主要選取典型斷面K5+500構建ABAQUS2d有限元模型，對路基沉降特性進行平面分析。為避免模型尺寸造成的邊界效應，二維地基模型橫斷面尺寸寬度80 m×高度20 m，路基填筑高度設計為8 m，擴建后整體路基頂面寬度42 m，底面寬度66 m，路基邊坡坡度1∶1.5。路基施工填筑材料及軟土地基均采取摩爾－庫倫彈塑性模型，新、舊路基接觸面不出現滑移，完全連續，不考慮地下水位影響。土體材料、墊層、土工格柵、水泥攪拌樁、路面結構材料均為均質材料，采取線彈性模型模擬，材料參數如表1所示[4]。

3.2 荷載施加

項目主要對擴建加寬路基進行沉降特性的加固效果對比分析。為簡化模型計算過程，新、舊路基同層填筑軟土性質保持一致，采取二維平面模型分析時，模型單元均采取四邊形網格劃分，填筑路基則采取8節點四邊形單元CPEBR劃分，地基土則采取八節點四邊形單元CPE8RP劃分。計算模型水平邊界需要固定水平位移，底部邊界則需要固定雙向位移，頂部邊界不固定雙向位移。模型荷載施加需要反映出實際施工情況，模型構建完成后需要先實現舊路基、地基的初始應力平衡，后續激活新路基荷載單元，逐級施工新路基填筑荷載及路面荷載，新路基單次填筑高度2 m，共分4次施工結束。由于新、舊銜接路基整體表現為對稱，項目取模型一半進行沉降特性分析，未加固模型構建如圖1所示[5]。當采取水泥攪拌樁加固軟土地基時，進行路肩削坡及開挖臺階拼接處理之后，需要在新路基填筑高度2 m處構建相應水泥攪拌樁模型，樁設計直徑0.4 m，初步設計樁長10 m，樁間距2.0 m，樁頂位置需要構建40 cm厚度的碎石墊層，碎石墊層內部距離攪拌樁頂20 cm位置設置土工格柵。其中，舊路基開挖臺階高度為2 m，寬度為2 m。

4 路基變形分析

4.1 未加固

該高速公路試驗路段的交通量不斷增大，導致公路段面需要擴建加寬，舊路基在長時間運行下的整體沉降基本已經達到穩定狀態，而新路基填筑施工需要在舊路基上進行削坡及臺階開挖，這會導致新路基填土、后續行車荷載對舊路基產生一定的附加荷載，且不同位置的路基沉降差異性較大，不僅弱化了公路服務水平，而且易造成路基開裂等病害。在上述計算模型基礎上，通過對新路基不同填筑階段路基頂面關鍵位置的沉降監測獲取圖2所示變形發展規律。結果表明，新、舊路基不同位置的沉降變形具有明顯不均勻性，新路基填土荷載作用下，新、舊路基沉降差最大值出現在新、舊路基拼接結合位置；此外，新路基填筑施工不同階段的路基沉降變形隨距中心線變化規律具有一致性，均表現為反彎狀，路基中心線位置處存在略微隆起（＜20 mm），新、舊路基銜接位置最大沉降變形隨填筑施工時間的延長而不斷增大，新舊路基沉降差也隨著填筑高度及施工時間的增大而增大[6]；沉降最大位置逐漸由新路基向舊路基靠近；工后15年的沉降路基最大值達到了67 mm。

圖3為不同施工階段路基頂面關鍵位置的水平位移隨距離變化發展，結果表明，不同施工階段的新、舊路基銜接結合位置處存在不同向的水平位移，舊路基存在向左側的水平位移，新路基存在向右側的水平位移。該位移分區較為明顯地處于新舊路基銜接位置處，當水平位移過大時，則會造成新舊路基橫向脫離，上部路面結構會產生明顯開裂裂縫[7]；擴建后邊坡外側水平位移隨著填筑高度的增大而增大，該處的水平位移最大，為20 mm。

圖3 路基頂面水平位移隨距離分布

4.2 水泥攪拌樁加固分析

路基填土特性、施工工藝及地基土層巖性對擴建加寬路基沉降、水平位移影響較大，此外，加固方案設計參數不同也會具有不同加固效果，項目組采取水泥攪拌樁進行路基加固需要合理確定相關設計參數，通過改變水泥攪拌樁樁長10 m、11 m、12 m，構建相應計算模型，獲取工后15年路基頂部關鍵位置沉降及水平位移，如圖4所示。結果表明，路基表面沉降隨著樁長的增大而不斷減小，樁長在11～12 m變化時，沉降控制效果并不明顯，由此可見，樁長存在臨界值，臨界樁長下的路基加固較為經濟；隨著樁長的增大，路基水平位移最大值逐漸減小；10 m樁長下路基工后15年的水平位移相對較大，但是不同樁長下路基最大水平位移差異較小（＜3 mm）。結合實際建設環境及施工成本，項目組確定合理的水泥攪拌樁樁長為10 m。

5 結語

軟土地基下新、舊路基擴建加寬需要重點分析其不均勻沉降。影響公路加寬路基沉降因素相對較多，通過對其變形發展特性的研究有助于合理選取加固方案，確保公路路基使用質量。該文依托四川省內某高速公路軟土路段典型斷面開展ABAQUS2d有限元變形特性分析，對水泥攪拌樁加固方案不同設計參數下的加固效果進行評估，得出以下結論：路基頂面最大豎向、水平位移分別存在于新、舊路基銜接處及新路基中心處；路基沉降差異隨樁長增大而減小，10 m樁長為設計臨界值。希望該文所做研究能夠為類似工程建設提供一定參考。

參考文獻

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[3]胡正河. 公路加寬分部填筑路基沉降特性及差異沉降控制技術研究[J]. 交通世界， 2022（12）： 104-106.

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