吹填砂路基拼接既有防洪江堤修建城市道路技術研究

胡 磊 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

近年來，隨著沿海、沿江、沿湖地區的發展，利用豐富的泥沙資源，采用吹填方式進行路基[1-2]施工，開展高速公路、市政道路、城市廣場、機場跑道[3]等領域施工逐漸火熱，它是一種既經濟又環保的措施和手段，在國內及歐美等發達國家均得到了大量的應用。

南京市濱江大道工程位于梅子州汊道左岸長江漫灘，道路設計為雙向四車道，路幅寬42m。該工程拓寬現有防汛大堤，按照1級堤防技術標準設計，因附近土源少，采用了長江砂吹填路基拼接防洪江堤方式，修建城市沿江景觀道路工程。

目前國內外學者對吹填砂路基的理論及沉降預測[4-5]研究大多建立在沿海、沿湖及大河附近造陸和路基[6-7]施工上，對土質、石質路基吹填砂拓寬[8-17]的施工技術研究很少。本文以南京浦口濱江大道工程項目為背景，通過細致、深入研究，提出建立了新老搭接路基土體本構模型，探索了釘型水泥攪拌樁對復合地基承載力的影響規律，開展了單側拓寬臺階、錐探灌漿設計參數對工后沉降影響力分析，與現場實測、試驗數據相結合，形成了一套較為成熟的吹填砂路基拼接既有防洪江堤修建城市道路的理論和方法，可以為江堤、海堤的拓寬設計提供有力的技術支撐。

1 土體本構模型

1.1 土層參數

根據現場實測資料，采用莫爾-庫倫模型理論，針對各個土層的基本巖性參數開展適度的調整與修正，數值模擬的基本土性參數如表1所示。

各土層土性參數 表1

1.2 樁體模型簡化

對于錐探灌漿和雙向水泥土攪拌樁處理軟土地基，計算中采用二維平面模型，把原先三維的問題轉化為平面二維模型，用軟件中的板類組來進行樁的模擬，依據現有資料將樁體在路基沿里程號方向簡化為一個個等效體。

圖1 樁身模量折減模型

樁土等效體的強度參數進行折減，樁土等效體模量的計算公式：

式中，Ep為樁身模量；Es為樁間土模量；d為折減過程中的等效距離，當樁呈正三角形布置時d=1.05d0，呈正方形布置時d=d0(d0為樁間距)。

板的性質中最為關鍵的數據即抗彎(彎曲剛度)EI以及軸向剛度EA。通過前文中的兩大數據即可采用下列獲得所需要的等效厚度deq：

經過計算得到，本文中所選用的直徑為0.6m的雙向水泥土攪拌樁的EA為 46800kN/m，EI為 1400kN·m2，容重選擇10kN/m3，而泊松比選擇0.15。

1.3 計算模型設計

本文的計算對象為K1+400斷面吹填砂路堤荷載下雙向水泥土復合地基，雙向水泥土攪拌樁的樁身直徑為0.6m，樁身長度為16m，新路堤頂部寬度為42m，老堤頂部寬度為6.4m，老堤頂坡底距離為7.2m，不調整坡面坡度。幾何模型在正式完成構建之后，即可建立相關的模型網格。如圖2所示。

圖2 數值模擬生成的網格

施工過程主要模擬以下幾個步驟：

①初始應力場的生成，進行自重平衡的計算；

②雙向水泥土攪拌樁施作；

③吹填砂層施工；

④素填土層施工；

⑤靜置100天后。

2 單側拼接處臺階尺寸優化

利用路基典型剖面，同時考慮填土影響范圍，取深度在天然地表下40.0m，寬度取140.0m，構件計算模型。本文考慮4種臺階方案，分別為不設臺階，臺階高度40cm，臺階高度80cm，臺階高度120cm。在分析拼接臺階高度的時候，假定新老路基接觸面為不連續面，在臺階和土工布之間設置接觸。模型假定路基土體應力-應變之間的本構關系為彈塑性，土體的破壞服從摩爾-庫倫準則。模型邊界為固定約束，左右側邊界為水平向約束，底邊界為豎向約束。

圖3 路基典型剖面計算模型

2.1 新老路基接觸面不設臺階方案

利用路基典型剖面建模，采用15節點三角形單元進行剖分，對施工過程進行模擬，分別為：初始應力生成、混凝土攪拌樁施打、吹填砂施工、素填土施工、工后100天自然沉降。建立剖分網格見圖4。

圖4 無臺階模型有限元網格

計算分別得到延豎直和水平兩個方向的位移云圖。從圖5沉降量云圖可以看出，該典型斷面上主要沉降量發生在新路基下，影響深度剛好觸及最下面的黏土層，最大累計沉降量達到146mm。新老路基搭接處也受到一定的影響，從顏色變化也可以看出新建道路造成沉降影響區逐漸向兩側擴散、逐漸削弱的過程。從圖6水平位移云圖可以看出，新拓寬道路建設以后，道路中間受左右土體擠壓基本上沒有發生位移。而新堤左肩向左側滑移，老堤受新填土影響右肩向右側產生位移。新堤左側最大水平位移達到123mm。

圖5 無臺階模型累計沉降分析

圖6 無臺階模型水平位移計算云圖

由于新建道路填土影響，主要集中在新填土正下方，產生了超靜孔壓力，新老路基搭接處也受到了一定影響，如圖7所示。由于路基土體均設為透水性，在填土靜置100天后，超靜孔壓力并不是很大。

圖7 超靜孔壓力云圖

計算數據與現場監測數據的對比分析：

K1+700觀測斷面測斜管水平位移變化數據如圖8所示，路基填土施工完畢靜置100天后即12月24日，新堤沿x軸負方向即新建道路左側水平最大位移達108mm，最小位移1mm，隨土體深度增大，水平位移逐漸減少。其位移規律與模型計算結果具有一致性，實測數據略小于計算數據，因此該計算模型還是比較符合現場實際的。

圖8 K1+700斷面測斜管水平位移變化圖

2.2 多種臺階高度路基沉降分析

利用路基典型剖面建模，設置吹填砂路基與老江堤之間臺階高度分別為40cm、80cm、120cm。對施工過程進行模擬，得到路基沉降變形如圖9所示。可以看出臺階高度由小到大，新建道路造成的主要沉降影響區由新路基下方逐漸向新老路基搭接處移動，并向兩側漸漸削弱。與無臺階比較，臺階高度為0.4m時沉降量最小。

2.3 多種臺階高度路基水平位移分析

通過對臺階高度分別為40cm、80cm、120cm的吹填砂與江堤拼接路基建模，進行施工過程模擬，得到路基水平位移如圖10所示。可以看出當臺階高度達到0.8m及以上時，出現一個幾乎與拼接面相垂直的滑移面，新建道路向負方向滑移，老江堤向右側滑移。通過上述三種工況分析發現，臺階設置可有效抑制路基水平位移，有效增強搭接效果。

圖9 多種臺階高度路基模型沉降變形分析

圖10 多種臺階高度路基模型水平位移分析

2.4 多種臺階高度路基超靜孔壓力分析

通過對臺階高度分別為40cm、80cm、120cm的吹填砂與江堤拼接路基建模，進行施工過程模擬，得到超靜孔壓力云圖如下圖9所示。可以看出，超靜孔壓力主要集中在粘土層和粘土互層中，隨著臺階高度的增加，超靜孔壓力有所減小。由于超靜孔壓力過大不利于土體早期固結沉降，后期拼接處容易產生裂縫，影響道路質量，因此適當增大臺階尺寸有利于減少后期不均勻沉降病害。

3 錐探灌漿拼接優化

利用路基典型剖面建模，采用15節點三角形單元進行剖分，錐探灌漿孔深選取進入江堤基0.5m，呈等三角形布置，考慮孔間距分別為1m、2m、3m。對施工過程進行模擬，分別為：初始應力生成、混凝土攪拌樁施打、吹填砂施工、素填土施工、錐探灌漿。建立剖分網格見圖4。

圖11 多種臺階高度路基模型超靜孔壓力分析

圖12 錐探灌漿網格模型

3.1 多種間距錐探灌漿處理路基沉降分析

通過圖13可以看出，路基最大沉降位移大多發生在新老路堤拼接處，間距1m的沉降位移最小78.8mm，間距3m時最大243mm，并向兩側坡腳逐漸減小。

3.2 多種間距錐探灌漿處理路基水平位移分析

圖13 多種間距錐探灌漿處理路基模型沉降變形分析

圖14 多種間距錐探灌漿處理路基模型水平位移分析

通過圖14可以看出，錐探灌漿間距拉大時，在路基下方會產生兩個交叉呈X形的滑移面，其中負方向的滑移面發生在新老堤交接的坡面，正方向的滑移面垂直于交界面。而路基產生的最大水平位移均不大，對工程質量影響不大。

3.3 多種間距錐探灌漿處理路基超靜孔壓力分析

通過圖15可以看出，超靜孔壓力主要集中在粘土層中，隨著錐探灌漿間距的拉大超靜孔壓力有所減小。由于超靜孔壓力過大不利于土體早期固結沉降，后期拼接處容易產生裂縫，影響道路質量，因此適當增大錐探灌漿間距有利于減少后期不均勻沉降病害。

圖15 多種間距錐探灌漿處理路基模型超靜孔壓力分析

4 結論

通過吹填砂路基拼接既有防洪江堤修建城市道路技術研究，分析了設置不同高度臺階、不同間距錐探灌漿等工況下，吹填砂與老江堤拼接路基的變形規律，建立了合理的力學分析模型，并給出了該類型工程設計的意見和建議，主要結論如下。

①從有限元模型來看，在新老路基搭接時選擇的臺階尺寸和搭接效果具有一定的相關性：一方面，臺階尺寸小，臺階數量增多，這有利于新老路基的結合，減少了沉降量；另一方面，臺階尺寸較小時，路基下超靜孔壓力較大，不利于土體早期固結，增大后期不均勻沉降的風險。采用0.8m～1.0m尺寸的臺階可以大大減少拼接處不均勻沉降，并且削減下臥層產生超靜孔壓力造成的后期病害。

②錐探灌漿對新老路搭接效果與錐探灌漿距離有關，距離太小，樁體自重大，早期沉降量偏大，宜造成較大的超靜孔壓力；距離太大，拼接處加固效果不明顯。建議間距在2m左右為宜。

③在進行吹填砂路基拼接既有江堤修建城市道路設計時，主要應考慮這幾個方面內容：a.臺階尺寸不能過大，要滿足早期沉降和橫向位移控制要求；b.盡量降低地基內部超靜孔壓力，減少后期不均勻沉降，保證搭接效果；c.考慮到施工難度、進度和成本，臺階數量不宜太多；d.錐探灌漿技術的應用，應在滿足設計要求基礎上。