高速公路新舊路基差異沉降控制技術試驗研究

閻玉菡 孫拴虎 齊海鵬 李帥

摘要：新舊路基的不均勻沉降問題是引起路面病害的重要原因，研究表明可以利用土工離心實驗來模擬不同工況中對新老路基利用管樁形成復合地基的沉降控制。利用管樁不僅可以很大程度上減小新老路基的不均勻沉降而且能夠加快路基沉降的穩定，管樁處治技術可以用于對沉降要求較高而且工期短的工程，針對管樁處治技術中出現刺入現象，通過加管帽可以有效地緩解。

關鍵字：新舊路基;不均勻沉降;土工離心試驗;管樁

中圖分類號：U416.1

1引言

隨著我國經濟的迅速發展，交通量也隨之快速增長，早期修建的一些高速公路已不滿足當前的需求，所以道路拓寬成為一種方便快捷又經濟的方法。但是在道路拓寬施工完成后，由于新老路基的填筑材料、厚度、固結程度等方面差異[1]，引起路基路面的變形，開裂特別是拓寬軟土路基后路面經常出現橫向、縱向裂縫的病害，這是由于新老路基的不均勻沉降[2]。在道路的拓寬建設中，如何控制新老路基的不均勻沉降成為主要技術難題之一。相應的研究成果也非常多，在土力學理論中，普遍認為沉降的計算采用分層總和法，通過對公路的拓寬方式和寬度對路基沉降的影響研究，證明了分層總和法的不足[3]～[4];用土工離心試驗和有限元分析了拓寬路基沉降和應力集中的規律[5];并且對攪拌樁墻、粉噴樁對路基的穩定性和沉降性控制設計分析[6]等。為了控制拓寬路基后新老路基差異性沉降，在拓寬路基中埋設預應力管樁這是一種常用的方法[7]。本文通過對比埋設管樁前后的沉降變化，驗證PTC管樁對新老路基不均勻沉降具有改善作用。

2試驗內容與試驗材料

2.1試驗材料

本文利用土工離心試驗模擬G60高速公路貴新段改擴建情況，研究PTC管樁對控制差異性沉降的作用。所用試驗材料均來自高速公路沿線的黏土，作為離心實驗模擬新老路基的填料。并對該填料做級配試驗，試驗結果表明該填料的有效粒徑小于0.0015m，不均勻系數大于20，級配良好。離心試驗選用的管樁選用彈性模量均勻，且易測量，強度較高的無縫鋼管，該鋼管的外徑為12mm，壁厚2mm。在樁頂安裝15×15×5mm的方形螺旋帽模擬管樁的樁帽。

2.2土工離心模型制作

制作700×500×360mm規格尺寸的土工模型試件用來模擬實際工程中不同的工況。試件模擬新老路堤的填筑高度為64mm，分為6層填筑，路堤下面的地基厚度取226mm，并且分為3層填筑，地基的填筑材料從下到上分別為砂性粉土、軟土及粉質黏土。根據試驗要求的需要，利用模具制作了4組模型，編號A、B、C、D，其中模型A在路基拓寬時，未對拓寬路基做處理;模型B在路基拓寬時，從老路坡腳到新路坡腳平均安插4排8m長的管樁;模型C在路基拓寬時，同B一樣安插4排10m長的管樁;模型D在路基拓寬時，安插4排12m長的鋼管。

2.3 土工離心模型的加載工序

根據試驗工況試驗模型與實際工況的幾何相似比C取62.5。實際工況中分為6層填筑，故離心試件制作時加載也分為6級，由于路基對于壓實度的要求，越靠近路面壓實度要求越高，并根據固結的特點，土工離心模型的加載順序從下到上，加載方式如表1所示。

表2所示的載方式相當于實際4m路堤填筑時，每層填筑間隔3天，模擬老路堤的施工沉降。土工離心模型填筑結束之后將試件放置離心機上22.4h，模擬老路堤運營10年的路基表面的沉降。觀測4組模型的沉降之后，然后對模型進行臺階開挖，然后分別對每個模型添加上文描述A、B、C、D不同管樁長度分層拓寬填筑，填筑結束之后將試件放置土工離心機上直接將加載速率增加到62.5g。拓寬加載的時間與工況模擬如表2所示。

3 PTC管樁的作用

3.1 路基表面的沉降

在土工離心試驗中，利用直滑式導電塑料位移計對新老路基表面S1、S2、S3、S4處以及地基的豎向位移進行測量，通過對比測量可以得到路基表面的沉降值結果如圖所示。

分析圖1可知，管樁的處治很明顯地減小了路基的沉降值，經過定量的分析，工后1個月后在路基埋設12m管樁的路基表面的不均勻沉降值相對于無管樁的路基不均勻沉降值減小89.5%，8m管樁相對于無管樁處治的路基不均勻沉降值減小了54.8%。

分析圖2可知，工后6個月后，用12m管樁處治的路基相對于無管樁處治的路基新老路基的不均勻沉降減小了90.2%，而8m長的管樁的路基處治，使得新老路基的不均勻沉降相對于未處治的路基減小了62.2%，相比工后一個月對新老路基的不均勻沉降減小了更多。

分析圖3可知，工后1年之后，12m管樁的路基處治對新老路基不均勻沉降減小了91.5%，10m長的管樁處治使得不均勻沉降減小了81.4%，而8m長的管樁使得新老路基的不均勻沉降減小了71.3%，管樁對新老路基不均勻沉降值的控制逐漸趨于穩定。

分析圖4可知，工后3年之后，12m管樁的路基處治使得新老路基的不均勻沉降減小了91.8%，10m長的管樁處治使新老路基的不均勻沉降減小了82.2%，8m長的管樁處治相對于無管樁處治的新老路基的不均勻沉降值減小了72.5%。

綜上可知，路基的沉降值隨著工后年限逐漸增長而逐漸增大，埋設管樁的路基處治很明顯的降低了路基的沉降，而且管樁的長度越長，對路基的沉降值得減小越明顯。10m和12m的管樁對沉降值的影響隨著固結時間增長變化不大，表明管樁的長度對拓寬之后新老路基的不均勻沉降的減小程度呈正相關，表明管樁也只有穿過軟土層，荷載大部分由管樁和深層土承擔時，管樁對新老路基的不均勻沉降的效果才比較明顯。

3.2 路基土以下地基沉降

由于地基內部的變形很難量測，因此對于地基沉降變形只能通過靜態量測，測量地基表層的沉降值。測量時以新老路基交界處且與模型箱接觸處為縱向坐標原點，向下為正;然后對應水平橫向坐位平行于模型箱壁的水平線。首先用大頭針插入待測沉降的位置，并記錄好大頭針的當前豎向位置，靠近新老路基的交界處和新路基的填筑處大頭針可以插入的密一些，靠近模型箱壁的地方大頭針可以適當疏一些，然后待模擬加載結束后在測量大頭針的豎向位置，將加載前后的豎向位置相減。結果為正，表明地基沉降了，結果為負，表明地基隆起。模擬工況1個月、工況6個月、工況1年、工況3年加入不同長度管樁之后地基不同位置的沉降結果如圖所示。

分析圖5可知，管樁復合地基的沉降會受到管樁長度的影響，管樁的長度越長，地基表面的沉降越小。工后1個月，12m管樁長度對應地基的表面沉降值得峰值為2.6mm;管樁長度10m對應的地基沉降峰值為2.8mm，管樁長度8m的復合地基表面沉降峰值為3.2mm，這也表明了管樁的長度越長對改善地基表面的沉降效果越明顯。地基沉降峰值處是管樁插入的地方，表明管樁復合地基存在“刺入現象”，但由于管樁有平滑的樁帽，可以有效緩解刺入現象。

分析圖6可知，復合管樁地基的沉降規律類似于圖5，只是地基的沉降值有所增加地基表面的沉降在管樁插入的地方取得峰值，遠離管樁時地基表面的沉降逐漸減小。工后6個月后，12m管樁對應地基表面的沉降為3.25mm，10m管樁對應復合地基表面的沉降為3.5mm，8m管樁對應的復合地基沉降值為3.75mm，再一次表明了管樁的長度越長，對改善地基的沉降效果越明顯。

分析圖7、圖8可以知道，工后1年后地基的沉降幾乎已經穩定，12m管樁對應的地基沉降峰值為3.85mm，10m管樁對應的地基沉降為4.25mm，8m管樁對應的復合地基沉降為4.62mm;而工后3年之后，12m 管樁對應地基沉降峰值為3.87mm，10m管樁對應復合地基的沉降峰值為4.31mm，8m管樁對應復合地基表面的沉降峰值為4.72mm。表明管樁對地基表明沉降達到穩定的時間也有影響，管樁地基能夠加快軟土地基的沉降，且管樁長度越長效果越好。

4 結論

（1）拓寬路基的新舊路基連接處，采用PTC管樁處治可以加快路基土的沉降，至少可以縮短沉降周期的1/3。這種方法方法可以用于對工期較短且對沉降控制要求較高的高速公路改擴建工程。

（2）管樁處治的方法可以大大減小老路基的不均勻沉降，但是在管樁處治的過程中會出現刺入現象，淺層樁的樁側土會產生向下的位移，產生向下的刺入;而深層樁的樁側土會因為擠壓，產生向上的位移，從而形成向上的刺入。但是由于樁帽和軟臥下墊層的存在，刺入現象得到很好地緩解。

參考文獻

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