考慮地基土流變性的樁承式加筋土擋墻拓寬路基數值模擬

李立 鄭俊杰 曹文昭 謝明星

摘 要： 為減小既有路基與拓寬路基的不均勻沉降，防止拓寬路基垮塌及路面破壞，針對流變性地基土，提出采用樁承式加筋土擋墻對路基進行拓寬。基于杭甬高速公路拓寬工程，采用FLAC3D建立軟黏土地基上的樁承式加筋土擋墻路基拓寬數值模型，在既有路基通車不同年限后，將路基邊坡削坡至1 ∶0.5，分層填筑拓寬路基并運行3 a（產生流變變形），分析了拓寬前不同通車時間對擋墻的水平位移和路基與地基的沉降量的影響，探討了樁體布置位置及拓寬方式對路基結構的影響。結果表明：樁承式加筋土擋墻路基拓寬結構具有良好的穩定性與承載性能;拓寬后既有路基出現明顯反坡現象，但路面坡比均小于道路功能性要求和結構性要求的容許值0.4%;利用樁承式加筋土擋墻拓寬不僅能降低拓寬路基對既有路基的影響，還能減少拓寬路基路面沉降。

關鍵詞： 路基拓寬;加筋土擋墻;流變特性;數值模擬;變形特征

中圖分類號：TU473.1? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：2096-6717（2020）02-0065-08

Numerical analysis of widening subgrade using pile-supported reinforced-earth wall considering rheological characteristics of subsoil

Li Li1， Zheng Junjie1， Cao Wenzhao2， Xie Mingxing1

（1.School of Civil Engineering and Mechanics， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， P.R.China;2.Central Research Institute of Building and Construction （Shenzhen） Co.， Ltd， MCC Group， Shenzhen 518055， Guangdong， P.R.China）

Abstract：? In order to reduce the differential settlement between the new and old embankment， prevent the new embankment collapsing and the pavement destroying， pile-supported reinforced-earth wall is carried out to widen embankment on rheological soft-clay.The existing railway slope was cut to 1 ∶0.5 after opening to traffic at different times.Then filling subgrade and operating it three years.The software FLAC3D was used to build a model to analyse how the operation time can affect the movement of retaining wall and the settlement of embankment and foundation after widening the subgrade.Discussing how the position of the pile and the way of widening will affect this subgrade widening structure.The experimental results demonstrate that the pile-supported reinforced-earth wall has great stability and bearing capacity.After widening， the existing roadbed appears reverse slope phenomenon obviously， but the slope ratio is less than 0.4% of the allowable road slope ratio of road functional requirements and structural requirements.Using pile-supported reinforced-earth wall can not only reduce the influence of widening subgrade on existing subgrade， but also reduce the settlement of the widening subgrade.

Keywords： subgrade widening; pile-supported reinforced-earth wall; rheological behavior; numerical simulation; deformation characteristics

隨著國民經濟的發展，中國沿海軟土地區20世紀八九十年代建成的部分高速公路已無法滿足日益增長的交通量需求，急需進行拓寬改造。軟土地區高速公路路基拓寬面臨的最為突出的技術難題是新老路基的差異沉降變形，處理不善則易導致路面縱向裂縫、道面起伏等病害。軟土地基的流變特性是影響拓寬路基工后沉降的主要因素之一。為研究土體流變特性，不少學者提出了不同的流變模型[1]與理論[2]，其中，Cvisc模型[3]作為黏彈塑性模型，能較好地反映土體壓縮與剪切性能。除此之外，流變地基土與路堤變形之間的關系也被廣泛研究。Liu等[4]基于流變固結理論提出了不飽和地基土上路堤施工過程中及施工后沉降的變形規律，并通過離心試驗和數值模擬驗證了該理論計算的正確性。而路基拓寬設計計算方法一般未考慮地基土流變的影響。

相比傳統路基拓寬方法，樁承式加筋土擋墻具有占地面積小、地基處理費用低和填料需求少等特點。具體措施為：將既有路基削坡至1 ∶0.5坡比后，在削坡開辟的場地范圍內設置豎向樁體，然后在樁頂建造加筋土擋墻。路基拓寬結構大比例削坡不僅能減少工程占地，也能減小拓寬路基自重在地基上產生的水平推力，從而提高拓寬路基的穩定性。為研究路基的變形破壞機理，Jin等[5]通過離心模型試驗對河流旁的路基拓寬進行分析，發現地基沉降根據地基層條件和路堤形狀表現出不同的模式。鄭俊杰等[6]通過理論分析改進了土拱效應及張拉膜效應分析方法，得出樁承式加筋路堤荷載傳遞效率計算公式。此外，學者們還通過數值模擬[7]、室內試驗[8-9]、現場試驗和理論分析，研究了不同樁長[10]、樁間距、加筋方式[11]、筋體連接方式以及路基拓寬方式等對軟土地基上路基拓寬性能的影響。

筆者基于有限差分軟件FLAC3D，考慮地基土流變的影響，對軟土地基上樁承式加筋土擋墻拓寬高速公路進行數值模擬，分析路基拓寬后的擋墻水平位移以及地基與路基沉降，通過改變路基拓寬方式和樁體設置位置，提出路基拓寬中樁承式加筋土擋墻的合理參數，以期為該路基拓寬結構的工程應用提供指導。

1 數值模型的建立

1.1 流變模型選擇

對于軟黏土體流變，選擇采用Cvisc模型進行模擬，該模型為Burgers模型的變體，除Kelvin（開爾文）體與Maxwell（麥克斯維爾）體外，還引入了Mohr-Coulomb模型作為串聯結構，以綜合描述介質黏彈塑性性質，具體模型組成如圖1所示。

Kelvin模型由牛頓體與虎克體并聯而成，表明在外力作用下該模型變形為彈性變形或黏性變形;Maxwell模型為黏彈性體，由一個牛頓體和虎克體串聯而成，分別對應土體彈性變形和黏性變形;Mohr-Coulomb模型則用以表征土體塑性力學行為。模型一維蠕變方程為

ε（t）=σ[1/EM+1/Ek（1-e（Ek/ηk））] （1）

1.2 工程概況及參數選擇

杭甬高速公路拓寬為中國首例高速公路拓寬實例[12]，該段高速公路途經沖積平原及各大水系，地基土軟弱，軟土厚度20 m以上路段占全路段76%。拓寬試驗段勘察結果顯示，Ek165+800段地表為2.5 m厚亞黏土硬殼層，其下分布地層依次為厚12.5 m淤泥質亞黏土及厚16 m亞黏土，各層巖土體物理力學參數見表1[10]。路基拓寬方式為對稱拓寬。

由于路基結構為對稱結構，為減小模擬時的計算量，以路基中軸線為對稱軸，選取實際路基的一半進行模擬。圖2為杭甬高速Ek165+800斷面實際工程路堤拓寬示意圖，該斷面老路堤處理方式為超載預壓，新路堤布置預應力薄壁管樁，并鋪設40 cm厚墊層及一層土工格柵，監測點分別為地基表面C1（新老路堤結合處）、C2（新路堤中心）及C3（新路堤路肩）。結合表2，利用FLAC3D對模型參數進行多次調試[13]，將模擬沉降所得曲線與實際沉降曲線進行對比，得到考慮地基土流變特性的監測點計算沉降曲線與實測沉降曲線對比如圖3所示，此時Maxwell與Kelvin參數見表3。

由圖3可知，在實際工程填筑期間，地基土先快速固結，而后長時間持續流變，利用FLAC3D將地基單元的變形擬合為地基固結，得到的考慮地基流變特性的沉降曲線與實測結果擬合較好，沉降量隨時間變化總體趨勢一致，路堤填筑200 d后，三點沉降計算值依次為21.64、19.22、18.60 mm，與實測數值25.92、23.07、20.03 mm的誤差僅為16.51%、16.69%和7.14%。以上分析表明，考慮地基土流變特性的數值模擬結果能較好地反映軟土地基上拓寬路基的實際沉降量及變化趨勢，可為相關工程的設計施工提供指導。

1.3 樁承式加筋土擋墻建模

在路堤參數的基礎上，采用樁承式加筋土擋墻對路堤進行拓寬，所選區域模型地基寬30 m、深20 m，褥墊層厚度0.6 m，擋墻高H為3 m，拓寬前后所有參數均保持不變。拓寬后路基寬由10 m增加至16 m，既有路基邊坡比由1 ∶1.5削坡至1 ∶0.5，拓寬路基邊緣以0.5 m厚垂直擋墻約束。采用結構單元樁單元（pilesel）、殼單元（shell）以及土工格柵單元（geogrid）分別對樁體、樁帽以及格柵進行模擬，并將樁單元與殼單元手動連接，形成加帽樁體，其中，樁長15 m、樁間距2 m，樁帽尺寸1 m×1 m;既有路基格柵鋪設一層，距底面0.3 m，拓寬后于每層拓寬路基頂部分別鋪設土工格柵共4層。拓寬工程示意圖如圖4所示。

路基拓寬過程具體模擬步驟：

1）在地基土流變情況下模擬既有路基填筑，每層填筑時間為7 d，全部填筑完成后運行相應時間以模擬既有路基與拓寬路基不同施工間隔年數;

2）將除褥墊層外的既有路基邊坡削坡至1 ∶0.5坡比，并靜置固結一個月;

3）拓寬路基底部受載地基加建加帽樁體;

4）分層按要求填筑拓寬路基，并在每層拓寬路基頂部鋪設一層土工格柵與末端擋墻相連;

5）拓寬路基填筑完成后，繼續運行3 a，記錄并保存相關數據。

2 計算結果分析

2.1 擋墻位移

圖5為路基拓寬完成時與拓寬3 a后不同施工間隔時間的擋墻水平位移。擋墻上各點水平位移隨施工間隔時間變化趨勢相同。當施工間隔時間為8 a時，新路堤填筑完成時擋墻水平位移最大點位于據墻底0.9 m處，墻面出現“鼓肚”現象，這是路基自重以及土體黏聚力引起的。拓寬3 a后，隨著擋墻高度增加，水平位移逐漸增大，最大值位于墻頂，達10.42 mm，小于規范規定15 mm（0.5%H）[14]，因此，采用樁承式加筋土擋墻結構對路基進行拓寬時，擋墻結構較穩定，不易發生垮塌;隨著施工間隔時間由2 a增加至10 a，墻頂最大水平位移依次為12.21、11.81、11.16、10.42、9.73 mm，逐漸減小，表明隨著施工間隔時間的增加，地基土在既有路堤荷載下流變持續發展，土體逐漸穩定，拓寬后擋墻穩定性提高。

2.2 地基頂面位移

圖6為路基拓寬前后地基頂面沉降曲線。隨著既有路基在拓寬前通車時間逐漸增加，地基各點沉降均增大，表明隨既有路基通車時間增加，地基土持續流變。拓寬3 a后地基頂面沉降量變化趨勢剛好相反，既有路基通車時間越長，拓寬后地基沉降越小，此時拓寬地基越穩定;地基頂面中心點沉降量減小值依次為2.74、2.43、2.25、2.00 mm，表明隨著拓寬前通車時間增加，地基土流變速率減慢，通車時間的增加對改善地基沉降的能力逐漸減弱。當既有路基與拓寬路基施工間隔時間為8 a時，拓寬后地基在拓寬路基自重作用下繼續產生較大沉降，新老路基結合處所受垂直附加應力較大，使得該點沉降量最大，達28.29 mm，遠小于規范規定的工后容許沉降300 mm [15]。拓寬前后，地基頂面樁頂沉降均明顯小于樁間土沉降，表明樁體的設置能明顯減小地基頂面沉降，進一步提高地基穩定性。

圖7為施工間隔時間8 a時，路基開始拓寬后地基頂面各典型點沉降曲線。既有路基削坡后，除坡腳處地基土初期會產生1.18 mm高的拱土外，其余各點在拓寬路基填筑期間沉降均顯著增加，遠離路基中心方向，地基頂面各點最大沉降速率依次為3.08、3.58、2.05、5.12和6.26 mm/月;施工60 d后，最大平均沉降速率僅0.85 mm/月;200 d后，5點沉降量依次為6.30、5.36、5.03、8.52、10.27 mm，拓寬路基坡腳處沉降量最大。這是由于既有路基削坡后，削坡處地基土將產生卸荷回彈，此時既有路基與拓寬路基結合處為薄弱點，易產生較大變形;拓寬填筑期間，壓縮性較低的拓寬路基處地基土在荷載作用下發生沉降，加上擋墻重度大于路基填土重度，使坡腳處地基土以較大沉降速率持續沉降較長時間，最終沉降量大于相鄰土體;拓寬完成后一段時間，拓寬路基附加應力產生的變形基本完成，土體沉降由流變控制，地基土沉降速率開始變緩。

2.3 路基頂面位移

圖8（a）為拓寬前路基頂面沉降曲線。隨著拓寬前通車時間增加，路基頂面各點沉降均增大，最大值位于路基中心，朝路肩方向沉降逐漸減小，當既有路基通車運行時間由2 a逐漸增加至10 a時，最大沉降量依次為38.76、56.59、72.76、87.63、101.25 mm，均小于該高速公路拓寬工程總沉降量變形控制標準150 mm[4];橫坡比逐漸增大，依次為0.031%、0.039%、0.047%、0.056%和0.065%，表明地基土流變將增大路基不均勻沉降，填筑路基時應考慮適當填高路基中心。

圖8（b）為拓寬3 a后的路基頂面沉降量。不同施工時間間隔下路基頂面沉降曲線變化一致，遠離路基中心方向，既有路基頂面沉降量逐漸增加，在拓寬路基與既有路基交界處達到最大后沉降量明顯減小，最后在拓寬路基坡肩處達到最小。當施工間隔時間每增加2 a，既有路基與拓寬路基交界處沉降量依次減小2.53、2.10、1.87、1.59 mm，表明施工間隔時間的增加對改善路基頂面沉降的能力逐漸減弱。同時，路基頂面沉降量標準差依次為0.96、0.90、0.88、0.85和0.83 mm，這是由于拓寬前地基土流變速率隨通車時間增加而逐漸減慢，地基土穩定性增強，使得拓寬后路基差異沉降減小。因此，增加拓寬前通車時間能減少路基沉降量并降低路基不均勻沉降。

拓寬3 a后，以施工間隔時間8 a為例，路基頂面最大沉降量為23.82 mm，遠小于設計標準所規定的工后容許沉降150 mm[10];工后最大差異沉降為4.43 mm，小于設計標準規定的30 mm;拓寬后既有路基橫坡比出現明顯反坡現象，坡比大小為0.017%，拓寬路基坡比為0.074%，均小于道路功能性要求和結構性要求容許的路面坡比0.4%。表明利用樁承式加筋土擋墻這一結構對路基進行拓寬，可減小拓寬后既有路基與拓寬路基的不均勻沉降，降低橋頭跳車及路面破壞的可能。既有路基與拓寬路基交界處因不均勻沉降而產生一明顯凹槽，在路基通車后易發生積水，應加強排水措施。

上述分析表明：增加拓寬前通車時間能減少路基沉降量并降低路基不均勻沉降;樁承式加筋土擋墻路基拓寬結構具有良好的承載性能，地基頂面工后差異沉降較小，將減小路基不均勻沉降而導致的橋頭跳車及路面破壞的可能。

當施工間隔時間為8 a時，路基拓寬完成后路基頂面典型點沉降隨時間的變化曲線如圖9所示。由于流變土體的蠕變特性，路基拓寬完成后的較長一段時間內，路基表面仍會繼續產生沉降。填筑完成后一段時間，F點（即新老路堤交界處）沉降量最大，工后150 d達10.03 mm;該點拓寬完成后20 d內沉降速率最大，平均為0.26 mm/d，20 d后，拓寬路基附加應力產生的變形基本完成，流變持續發生，沉降速率僅0.65 mm/d，小于大多數高速公路采取的0.2 mm/d的路面鋪筑時間標準[16]，此時可進行面層施工。

3 參數分析

3.1 拓寬方式

分別利用樁承式加筋路堤與樁承式加筋土擋墻拓寬，拓寬方式如圖10所示。圖11為兩種拓寬方式下路基頂面沉降曲線圖。利用樁承式加筋路堤拓寬時，路基沉降量最大值仍位于路基交界處，達24.51 mm，因此，無論用何種拓寬方式對路基進行拓寬，均應加強路基交界處沉降監控，防止該處產生較大凹陷，影響路基通車。利用樁承式加筋土擋墻拓寬路基時，既有路基與拓寬路基頂面沉降明顯小于利用樁承式加筋路堤拓寬路基時，路基中心沉降量減小了1.85 mm，拓寬路基路肩減小了0.97 mm，表明利用樁承式加筋土擋墻拓寬不僅能降低拓寬路基對既有路基的影響，還能減少拓寬路基頂面沉降。

3.2 樁體布置

分別模擬既有路基與拓寬路基均無樁（UU）、既有路基有樁：拓寬路基無樁（PU）以及既有路基無樁、拓寬路基有樁（UP）3種情況，與既有路基與拓寬路基均有樁（PP）時進行對比，樁體布置如圖12所示。

圖13為路基頂面沉降曲線圖。由圖13可以看出：UU工況下，路基頂面各點沉降明顯大于其他工況，表明設置樁基能顯著減少路基沉降，其沉降曲線與PP工況變化一致，路基結合處沉降量最大，且既有路基與拓寬路基路面沉降差異不大。UP工況下，既有路基沉降明顯大于拓寬路基，路基結合處沉降量最大，沿拓寬路基路肩方向沉降逐漸減小，路肩處為路基表面最高點。PU工況下，拓寬路基沉降曲線則完全相反，距路基中心越遠，拓寬路基沉降量越大，路肩處為路基表面最低點。UU、UP、PU以及PP4種情況下，路基沉降標準差依次為1.75、3.06、1.56、0.83 mm。由此可知：若既有路基為樁承式路基，拓寬路基設樁能有效減少路基不均勻沉降;若拓寬前地基土流變仍未收斂且既有路基未設樁，拓寬路基設樁反而可能增加路基不均勻沉降，此時可考慮在填筑拓寬路基時適當增加橫坡比。

4 結論

1）隨著施工間隔時間增加，地基土在既有路堤荷載下流變持續發展，土體逐漸穩定，拓寬后拓寬地基和擋墻穩定性提高，路基不均勻沉降降低，表明Cvisc模型能較好地反映地基土減速蠕變過程。

2）樁承式加筋土擋墻具有很好的穩定性與承載性能，能有效改善軟黏性地基土流變產生的大變形，也可減小拓寬后既有路基和拓寬路基的不均勻沉降，降低橋頭跳車及路面破壞的可能。

3）新老路基均設樁，能有效減少路基不均勻沉降，若拓寬前地基土流變仍未收斂且既有路基未設樁，可考慮在填筑拓寬路基時適當增加橫坡比。

4）利用樁承式加筋土擋墻拓寬不僅能降低拓寬路基對既有路基的影響，還能減少拓寬路基頂面沉降。

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（編輯 胡玲）

收稿日期：2019-09-10

基金項目：? 國家重點研發計劃（2016YFC0800200）;國家自然科學基金（51608316、51808243）

作者簡介：? 李立（1997- ），女，主要從事樁承式加筋路堤與流變地基土研究，E-mail：lili_1997@hust.edu.cn。

鄭俊杰（通信作者），博士，教授，博士生導師，E-mail： zhengjj@hust.edu.cn。

Received： 2019-09-10

Foundation items：? National Key Research and Development Program （No. 2016YFC0800200）; National Natural Science Foundation of China （No. 51608316，51808243）

Author brief：? Li Li （1997- ）， main research interests： pile-supported reinforced embankment and rheological foundation soil， E-mail： lili_1997@hust.edu.cn.

Zheng Junjie （corresponding author）， PhD， professor， doctorial supervisor， E-mail： zhengjj@hust.edu.cn.