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.中設設計集團股份有限公司 南京 210014； 2.東南大學交通學院 南京 210096)

目前高速公路改擴建工程日趨增多，在我國東部沿海軟土發育地區，由于軟土的特殊工程性質，需要對軟土地基進行處理，滿足路基穩定和沉降的相關要求。由于原路基已通車多年且保持穩定，表明原路基的地基處理方案能夠滿足路基穩定的要求，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度一般情況下均超過原有路基的處理強度，故拼寬路基穩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，其軟土地基的固結程度仍然存在差異，在荷載的作用下，新舊路基會產生較大的差異沉降，嚴重時會造成路面結構開裂、塌陷，影響通行安全和使用年限，增加了維護成本。《高速公路改擴建設計細則》中明確拼寬部分路基工后沉降應滿足橋頭處不大于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建工程中的一個難點。

1 軟土地基拼寬方案的經濟性分析

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

水泥攪拌樁用于處理一般軟土地基，而預制管樁用于沉降控制比較嚴格的軟土路段，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度不小于20 kPa的軟土地基。水泥攪拌樁和預制管樁在高速公路建設中應用更加廣泛，故本文主要研究水泥攪拌樁和預制管樁這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鍵因素。按4車道高速公路拓寬為8車道高速公路，單側橫向拼寬寬度為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調整至1.2 m，工程造價增加60%；PTC管樁樁間距從3.5 m調整至2.0 m，工程造價增加161.8%。而樁間距的調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是工程設計人員關注的重大問題。本文采用軟件模擬計算樁型及樁間距對差異沉降的影響，并根據模擬結果指導工程設計，在保證安全及沉降要求的基礎上降低工程造價，以獲得良好的經濟與社會效益。

2 拼寬路基差異沉降數值模擬

對于拼寬路基的差異沉降，規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)，如目前應用比較廣泛的理正沉降計算軟件。對于復雜的沉降計算問題可采用二維 (基于彈塑性力學平面問題的有限元計算)或三維有限元的數值模擬。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模型。還可考慮復雜的邊界條件、水與骨架上應力的耦合效應，并能求出任一時刻的沉降、水平位移、孔隙水壓力和有效應力的變化。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變問題，因此，可以采用二維有限元進行沉降的數值模擬。

本文基于二維比奧固結理論[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行數值模擬。現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土層地質資料[5]見表2。考慮現場處地基中分布有2層淤泥質粉質黏土，地基處理擬采用水泥攪拌樁和PTC管樁進行處理，樁長取28 m。

2.2 數值建模

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，故采用一半模型進行計算分析。FLAC路基模型見圖1。

圖1 FLAC路基模型

1) 力學邊界條件。對底部邊界節點的3個方向進行約束，相當于固定支座；對水平兩側的邊界條件進行水平約束；路基厚度取單元厚度，對所有節點的路基厚度方向均進行約束，等價于平面應變分析。

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) 初始應力。地基上初始應力按自重應力考慮為有效應力，由計算得出。

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

根據地質資料，分6個土層進行分析，摩爾-庫侖模型主要計算參數見表3。

表3 數值模擬主要參數表

5) 單元結構。原狀路基土和路堤填土均采用平面單元進行模擬。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，可在網格單元間傳遞剪切力、法向力及彎矩，能夠承受點荷載和分布荷載。

2.3 數值模擬結果

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。這主要是因為水泥攪拌樁樁土應力較小，一般在3～6 MPa之間，減少水泥土樁的樁間距能夠適當增加樁體承擔荷載的能力，減少樁體承擔的荷載沉降，但并不能明顯減小土體部分承擔的荷載和沉降。

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%。可見樁間距減小時，地基沉降量降低較為明顯。由于管樁樁土應力比較大，一般在20～30 MPa之間，大部分荷載由管樁承擔，土體本身承擔的荷載和沉降均較小。減少管樁的樁間距，相當于增加了承擔荷載管樁的數量，減少了單根樁體承擔的荷載，從而降低樁體承擔的荷載沉降。

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于采用水泥攪拌樁處理。采用預制管樁，數值模擬結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，數值模擬結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格的路段，采用預制管樁處理是合適的。

4 現場沉降觀測

本實例現場處填土高度為7 m，設計時采用預制管樁處理，正方形布置，樁間距3.0 m。考慮運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置沉降觀測點，從施工期開始進行沉降觀測，直到沉降基本穩定后觀測結束，沉降觀測數據見表5。

表5 原有道路中心沉降觀測表 mm

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

5 結論

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模型來說，如果將軟土層全部進行處理，對于拼寬路基的差異沉降，采用 PTC管樁處理效果優于水泥攪拌樁，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預制管樁處理，填土高度為7 m，樁間距從3.5 m調整為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) 根據工程實際情況，選擇合理的地基處理方案，在考慮滿足沉降控制標準要求的前提下，應確定適當的樁間距，以降低工程造價。