高速公路路基拓寬中的軟土地基處理技術

王帥，魏斌斌

（中交公路規劃設計院有限公司，成都610041）

1 引言

隨著經濟水平的飛速發展，我國高速公路建設里程數逐年增加。但是我國地域遼闊，每個地區的地形地貌、水文地質情況等差異十分明顯，高速公路拓寬工程建設期間會不可避免地出現軟土。如果軟土地基處治措施選擇不合理，加寬路基可能出現大面積沉降，容易導致邊坡滑塌、路面裂縫等病害。近年來，國內外學者及工程師通過室內模型試驗、數值模擬等方法研究了公路路基拓寬中的軟土地基的處理技術及處置效果，并取得了一些有價值的研究成果[1]，但是對于軟土地基處治技術對新老路基的不均勻沉降的影響仍沒有統一的認知。因此，研究高速公路路基拓寬中的軟土地基處理具有十分重要的工程意義。

2 軟土地基路基拓寬問題及沉降計算

2.1 軟土地基處治目的

軟土地基往往含水量高、抗剪強度低、壓縮性強等[2]。目前，在軟土地基上加寬高速公路路基可能出現以下幾個方面的問題：（1）路基加寬會增加軟基上部荷載，使土體中附加應力增加，從而使土層產生較大的豎向壓縮。而舊路基經過長時間的固結，沉降變形已經很小，新老路基之間會存在沉降差，容易出現地基承載力不足、路堤邊坡失穩、路面裂縫等病害。（2）公路新老路基結合位置的施工技術復雜，施工質量控制難度大，應避免軟基處理與路堤填筑相互干擾。（3）路基拓寬后地沉降變形等于軟基沉降與路堤自身壓縮之和，故不僅要采用合理的處理措施減小軟基變形，還應確保路堤填料具有小容重和大剛度，以降低施加在軟土地基上的外部荷載。

2.2 軟土地基沉降組成

在高速公路改擴建工程中，軟基變形計算可利用分層總和法，沉降變形可分為瞬時沉降（Sd）、主固結沉降（Sc）和次固結沉降（Ss）3 個階段[3]。其中，Sd是在加載瞬間（t=0）產生的，孔隙水壓力難以排出，土骨架不承受有效應力，只有形狀變形而不產生體積壓縮，沉降量與加載速率有關；Sc是軟土地基沉降的主要組成，在荷載作用下，隨著固結時間的增加（0＜t＜+∞）土體中超靜孔隙水壓力不斷消散，孔隙體積不斷減小，土骨架承受的應力逐漸增加，導致土體產生沉降，沉降量與壓縮時間呈正相關；Ss發生在主固結沉降基本完成之后（t=+∞），土骨架承擔的有效應力不變，土體產生蠕變而導致土體變形量繼續增加，軟土路基沉降固結模型如圖1 所示（圖中，p 為附加應力；h為固結初期水頭；h'為固結結束后的水頭；γw為水的重度）。

圖1 軟土地基沉降組成部分

3 高速公路拓寬中軟土地基處理措施

3.1 淺層軟土地基處理

3.1.1 換土墊層法

換填法屬于淺層軟基處理措施，其基本原理是把地面線高程以下（小于3 m）的軟土層挖除，換填強度大、水穩定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯壓密實，以提高地基的承載力，減小地基及其下臥層的沉降變形。

3.1.2 鋪土工格柵

在高速公路拓寬項目中的軟基上鋪土工格柵，不僅可以減小地基沉降變形，還能提高新老路基之間的整體穩定性，減少二者之間的差異性沉降。

土工格柵加入軟土地基中會形成加筋土，提高軟土的抗剪強度和抗壓強度、降低其壓縮性，加固機理為：土工格柵表面粗糙，呈凹凸不平的狀態，可以和土顆粒很好地結合在一起，相互作用不至于輕易脫離，二者之間的相互作用主要體現摩擦力和咬合力的提高。即當外力作用在土顆粒期間，土工格柵和土體壓縮彈性模量不同，則其在外力作用下抵抗變形能力也不一樣，兩者之間就會產生相對位移，從而使土顆粒和土工格柵的接觸位置產生摩擦力和咬合力，這樣會提高土體的抗剪強度和抗壓強度，從而改善土體的變形性能。同時，土顆粒和土工格柵發生錯動使纖維受拉，出現界面應力，此界面應力會限制土工格柵的相對滑動，使土工格柵必然會承受一定的拉應力。由于土工格柵的抗拉性能良好，可以為土體分擔一部分的外部荷載，相當于減少了土體本身的荷載。

3.1.3 采用輕質填料

輕質材料一般重度較小，公路加寬部分填筑采用輕質材料能有效地降低作用在軟土地基上的荷載，從而減小土體中的附加應力和沉降變形。常用的路堤輕質填料有二灰（石灰、粉煤灰）輕質填料和泡沫混凝土輕質填料，前者適用于老路沉降未穩定，且對環境敏感度較低的路段；后者適用于沉降速率大，對路基震動有特殊要求的地段。同時，在填筑輕質材料路段和一般路基之間要開挖臺階設置過渡段，臺階高度在0.5~1.0 m，坡比宜為 1∶1~1∶2，以確保道路的整體穩定性。

3.2 深層軟土地基處理

3.2.1 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁一般適用于橋頭、拼寬寬度大，老路沉降基本穩定的軟土路段，處治深度一般在8~20 m。根據JTG D30—2015《公路路基設計規范》，高速公路改擴建軟基處治中的水泥攪拌樁應按梅花形布置，樁頂鋪20 cm 碎石層，樁徑取350~500 mm，樁長與樁間距可按照巖土勘察報告中的地勘參數利用理正巖土或有限元軟件計算確定。

3.2.2 預應力混凝土管樁

預應力混凝土管樁屬于剛性樁，一般用于處理軟土地基上荷載大、變形控制嚴格的高路堤或橋頭和路堤過渡段，處治深度可達12~20 m。預應力混凝土管樁宜采用正方形布置，場地允許可通過靜壓法沉樁。

4 高速公路拓寬中軟土地基處理效果評價

某高速公路改擴建項目采用單側加寬方式改造，沿線的地質條件復雜，地下水位較低，沿線存在淤泥、淤泥質土等軟弱土層。本文以K15+752 里程處軟土路基為研究對象，軟土厚度平均在12 m，擬采用水泥攪拌樁處理，采用有限差分軟件FLAC3D5.0 分析了對地基加固前后新老路基的不均勻沉降變形規律。

4.1 軟土路基加寬計算模型建立

FLAC3D 軟件計算軟土路基沉降理論是基于摩爾-庫倫準則，該模型計算參數簡單，只需測定土體的容重、黏聚力、內摩擦角、泊松比、彈性模量即可，路基填料和軟土層的容重、黏聚力、內摩擦角、泊松比、彈性模量分別為21 kN/m3、24 kPa、26°、0.28、36 MPa 和 18 kN/m3、15 kPa、12°、0.3、22 MPa。同時水泥攪拌樁的模擬板單元（樁長13 m、樁徑1.2 m、樁間距1.5 m），抗彎剛度取 6×104kPa/m2，軸向剛度取 2.8×106kN/m。

計算模型的單元劃分采用三角形，網格尺寸取1 m，共劃分3 824 個單元，2 678 個節點。模型底部為不透水邊界，路堤頂部和邊坡坡面是自由邊界，地基土進行水平約束，如圖2所示。

圖2 軟土路基未加固前有限元計算模型

4.2 軟土路基加寬不均勻沉降分析

分別在老路路基中心、新舊位置結合處、加寬路基邊緣設計沉降監測點，編號為1#、2#、3#，得出水泥攪拌樁法處治前后路基的沉降量如圖3 所示。

圖3 軟土地基加固后沉降變形

根據計算結果可知：老路路基中心沉降量最大，加寬路基邊緣處沉降量最小。由于軟土地基在處置后承載能力有明顯的提升，軟土地基在水泥攪拌樁處治前后，1#、2#、3#監測點的沉降量均出現大幅降低，處治前路基最大沉降量為15.3 cm，處治前路基最大沉降量為6.4 cm，沉降變形減小了58.2%。這說明水泥攪拌樁用于高速公路拓寬項目的軟基處理是可行的。

5 結語

本文分析了高速公路拓寬項目中常見的軟土處治措施特點和處治效果，得到了以下結論：

1）路基加寬會增加軟基的上部荷載，在土中產生附加應力，并出現較大的沉降變形，會導致新老路基之間產生不均勻沉降；

2）高速公路路基加寬的軟基處治分為淺層處治措施和深層處治措施，前者包括換土墊層法、鋪土工格柵、采用輕質填料等，后者包括水泥攪拌樁、預應力混凝土管樁等；

3）軟土路基在經水泥攪拌樁法處理后，承載能力大幅提升。各監測點的沉降量有明顯減小。