公路拓寬路基沉降監測方法及加固效果研究

覃武

摘要：軟土具有高壓縮性，對軟土地基高速公路進行拓寬處理時，極易產生較大的差異沉降，從而導致路面裂縫和整體失穩破壞。基于此，文章依托某高速公路拓寬路基工程，分別設置水泥攪拌樁和樁板結構處理地基現場監測試驗段，分析不同施工階段的沉降位移；選用ADINA進行數值仿真計算，分析天然工況、水泥攪拌樁工況和樁板結構工況下，原路基和地基表面受力變形特性，得到如下結論：路基和路面基層填筑期，樁板結構受自重影響，會導致較大的沉降，隨著填筑的持續進行，其下方土體固結趨于穩定，樁板結構開始發揮作用；現場監測試驗和數值仿真結果均表明，相較于水泥攪拌樁，樁板結構能夠更好地控制拓寬路基工程中新舊路基的差異沉降和側向位移。本研究可為類似工程的地基處理提供一定的參考。

關鍵詞：道路工程；水泥攪拌樁；樁板結構；拓寬路基

中圖分類號：U416.1? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0071-04

0 引言

為滿足車輛快速通行和安全行駛的要求，拓寬老舊高速公路已經成為時代的發展趨勢。我國軟土廣泛分布，其工程特性較差，對軟土地基高速公路進行拓寬時極易產生質量問題，如路面裂縫、路基整體失穩等。因此，如何控制高速公路拓寬工程中新舊路基的差異沉降至關重要，對此，大量學者進行了深入研究。李剛等[1]依托某高速公路改擴建工程，運用有限差分軟件分析了不同拓寬寬度、填方高度、彈性模量、壓縮模量下新舊路基的沉降變化規律。秦子柔等[2]使用泡沫混凝土作為拓寬路基的材料，使用FLAC3D軟件分析采用該方法時原路基的沉降變形規律，并與傳統方法進行對比，驗證了該方法的可行性。徐全亮等[3]建立了高速公路軟土路基雙側拓寬的數值模型，對其進行拓寬前后的仿真計算，對其新舊路基差異沉降、側向位移、內部應力等變化規律進行分析。王晨竹[4]以山區某拓寬高速公路為對象，利用有限元軟件分析了拓寬后高速公路路面的差異沉降特性及其影響因素。劉光明[5]通過資料收集與整理，總結了軟土地基公路拓寬工程差異沉降特性及常規加固措施。林同立等[6]針對廣西某高速公路拓寬工程的實際情況，提出兩種施工處理方案，并用FLAC3D軟件進行對比分析，選出最優方案。上述研究大多基于有限元軟件進行，缺少原位試驗數據。本文基于上述研究，依托某高速公路拓寬路基工程，采用現場原位試驗和數值仿真模擬相結合的方法，分析不同工況和不同施工階段的新舊路基差異沉降，深入研究水泥攪拌樁和樁板結構兩種軟土地基處治措施的加固效果，可為后續類似工程提供一定的參考。

1 路基沉降現場監測

1.1 工程概況

某高速公路建成于20世紀90年代末期，沿線多采用黏土和粉質黏土進行填筑，由于施工和運營期養護工作得當，所以路基整體狀態良好，未發生大規模沉降。檢測其路面性能可知，其整體路面性能優良。但是，隨著經濟的快速發展，交通量的不斷擴增，該高速公路的各項性能已不能滿足要求，故需對對其路面進行拓寬，其結構示意圖如圖1所示。

拓寬工程路段為第四系松散巖層，主要是沖擊、洪積物，其地層巖性主要為黏性土。現場監測試驗段主要為粉質黏土，中間夾雜厚度不一的淤泥質土。上部粉質黏土中存在第四系上層滯水，其埋深受季節影響較大。

1.2 加固效果試驗方案

設計使用水泥攪拌樁對拓寬路基進行處理，設置50 m長的試驗段，選用水泥攪拌樁和鋼筋混凝土承載力板對其路基進行處理。現場試驗選用沉降板監測拓寬路基在填筑施工過程中的沉降，待上面層施工結束后，選用道釘監測路面沉降，其監測點設置如圖2所示。圖2（a）為路基、路面基層及中、下面層施工時的監測點位布置圖，共設置6個監測點，監測點1、監測點3和監測點5位于水泥攪拌樁處理拓寬軟土路基試驗段，其具體監測位置分別為新舊路基交界處、拓寬路面中心線處以及拓寬路面路肩處。監測點2、監測點4和監測點6位于樁板結構處理拓寬軟土路基試驗段，是監測點1、監測點3和監測點5的對照組。沉降選用二等水準觀測，路基填筑施工時，每兩層進行一次觀測；路面結構施工時，每鋪設一層進行一次觀測。圖2（b）為路面面層施工時的監測點位布置圖，共3個監測點，分別位于樁板結構試驗段新舊路基交界處、拓寬路面中心線處和水泥攪拌樁試驗段拓寬路面路肩處。

1.3 加固效果結果分析

圖3為拓寬路基填筑期以及路面基層填筑期監測點沉降變化曲線，由圖3（a）可知，在路基填筑期，選用水泥攪拌樁處理的拓寬段地基和選用樁板結構處理的拓寬段地基，其不同監測點沉降變化規律基本保持一致，隨著路基填筑高度的增大而逐漸增大。兩個試驗段最大沉降處均為拓寬路面路肩處，水泥攪拌樁試驗段最大沉降為7.0 mm，樁板結構試驗段最大沉降為7.9 mm。綜合分析3組相同位置的對照監測點可知，樁板結構試驗段監測點沉降值均大于相同位置的水泥攪拌樁試驗段監測點沉降值，主要是因為樁板結構中的鋼筋混凝土板自重較大，加快了軟土的固結。

由圖3（b）可知，在路面基層填筑期，不同監測點沉降變化規律基本保持一致，沉降值均隨著填筑高度的增大而增大，但相較于路基填筑期，其沉降值變化較小。兩個試驗段最大沉降處均為拓寬路面路肩處，水泥攪拌樁試驗段最大沉降為7.3 mm，樁板結構試驗段最大沉降為8.0 mm。綜合分析3組相同位置的對照監測點可知，樁板結構試驗段監測點沉降值仍然大于相同位置的水泥攪拌樁試驗段監測點沉降值，但其相同位置的監測沉降值之差較路基填筑期明顯減小，故可認為在此階段，由鋼筋混凝土板自重引發的土體固結已基本完成，樁板結構加固軟土路基的效果開始顯現。

圖4為中、下面層填筑期以及上面層填筑期監測點沉降變化曲線，由圖4（a）可知，在中、下面層填筑期，不同監測點沉降變化規律基本保持一致，沉降值均隨著填筑高度的增大而增大。兩個試驗段均是拓寬路面路肩處的沉降值最大，其次為新舊路基交界處，拓寬路面中心線處的沉降值最小。水泥攪拌樁試驗段最大沉降為9.2 mm，樁板結構試驗段最大沉降為8.3 mm。由圖4（a）可知，在中、下面層填筑后期，水泥攪拌樁試驗段監測點沉降值明顯增大，而樁板結構試驗段監測點沉降值變化較為平穩，故水泥攪拌樁試驗段監測點沉降值最終超過樁板結構試驗段監測點沉降值。

由圖4（b）可知，在上面層填筑期，不同監測點沉降變化規律基本一致，沉降值均隨著填筑高度和觀測次數的增加而增大。其中，水泥攪拌樁試驗段拓寬路面路肩處沉降值最大，其沉降值增加量也最大，而樁板結構試驗段兩個監測點的沉降值變化相對較小。

2 地基加固效果研究

2.1 模型建立

根據依托工程實際情況，原路基寬26 m，之后在其兩側分別拓寬8 m，因其左右對稱，故取一半進行建模，模型總寬度為50 m，路基高6 m，分5層填筑，路基邊坡斜率為1∶1.5；取地基上層土體厚10 m，下層土體厚20 m，其網格劃分如圖5所示，模型四周為法向約束，底部為全約束，路基臨空面不設約束。設置土體為摩爾庫倫本構模型，假設新舊路基交界處為完全連續接觸，使用八節點3-DSolid單元模擬。水泥攪拌樁模型和樁板結構模型均與實際工程保持一致，選用樁長12 m、樁間距為2.5 m的水泥攪拌樁和50 m×10 m×0.3 m的C30鋼筋混凝土板；選用線彈性模型，設置樁周、樁底與地基土的摩擦系數為0.3；為使樁板結構變形協調，選用tie約束進行連接；其參數設置見表1。

2.2 結果分析

圖6為拓寬路基施工結束后，各個模型原路基表面距離路基中心線不同位置處的附加沉降以及側向位移。3種工況下原路面表面附加沉降和側向位移變化規律基本保持一致，遠離路基中心線處的沉降量和側向位移值相對較大，臨近處相對較小。對比3種工況可知，天然地基的沉降值和側向位移最大；水泥攪拌樁處理后，兩項監測指標值有所降低，其最大值相較于天然狀態分別降低了50.17%和81.65%；而樁板結構處理后，原路基的沉降值和側向位移有明顯減小，其最大值相較于天然狀態分別降低了92.59%和85.86%。

圖7為拓寬路基施工完成后，各個模型地基表面距離路基中心線不同位置處的附加沉降以及側向位移。其中，0～18 m段是從路基中心線至原路基坡腳，稱其為原路基段；18～30.25 m段是從原路基坡腳到拓寬路基坡腳處，稱其為新路基段；其余部分為非路基填筑段。樁板結構中鋼筋混凝土板寬10 m，作用于距離路基中心線18～28 m處。由圖7（a）可知，原路基段地表附加沉降在3種工況下的變化規律基本一致，距離路基中心線越遠，即距離拓寬路基段越近，其沉降值越大；水泥攪拌樁處理后，地基表面沉降值明顯降低；樁板結構處理效果更佳。新路基段經過水泥攪拌樁和樁板結構處理后，其地表附加沉降明顯降低；受到鋼筋混凝土板自重的影響，樁板結構工況下，新路基段地表附加沉降較水泥攪拌樁處治時大；非路基填筑段受影響較小。由圖7（b）可知，拓寬地基經過水泥攪拌樁和樁板結構處治后，其側向位移明顯減小且樁板結構的處治效果更佳。

3 結論

本文依托某高速公路拓寬路基工程，監測采用水泥攪拌樁和樁板結構處理的拓寬路基的沉降，并分析3種拓寬路基工況變形特性，得到如下結論。

（1）路基和路面基層填筑期，樁板結構試驗段受鋼筋混凝土板自重的影響，其監測點沉降值較水泥攪拌樁試驗段大；在中、下面層和上面層填筑期，樁板結構下方土體因板自重影響固結基本穩定，其監測點沉降值較水泥攪拌樁試驗段小，樁板結構開始發揮其處治效果。

（2）根據數值仿真計算結果可知，上述3種工況下，原路面表面附加沉降和側向位移變化規律基本保持一致，距離路基中心線越遠的沉降量和側向位移值越大，臨近處相對較小；水泥攪拌樁和樁板結構均能有效降低原路基表面附加沉降和側向位移，其中樁板結構效果更佳。

（3）上述3種工況下地基表面的附加沉降和側向位移值主要與其所處位置有關；水泥攪拌樁和樁板結構處理地基能有效控制差異沉降和側向變形；相較于水泥攪拌樁，樁板結構能承受更多的荷載，處治效果更佳。

4 參考文獻

［1］李剛，郭艷玲.高速公路改擴建新舊路基差異沉降影響因素分析［J］.公路交通科技，2021，38（7）：22-28.

［2］秦子柔，徐永福.基于FLAC3D的泡沫混凝土密度分層對高速公路老路拓寬的影響［J］.公路，2020，65（8）：95-99.

［3］徐全亮，宋琦，劉錢.濱海軟土公路路基拓寬拼接位移與應力分析［J］.公路，2019，64（10）：68-73.

［4］王晨竹.山區高速公路路基差異沉降特性分析及對策探討［J］.山東農業大學學報（自然科學版），2018，49（5）：772-776.

［5］劉光明.軟土地基市政道路加寬工程路基差異沉降特性及處治措施綜述［J］.中外公路，2018，38（2）：45-48.

［6］林同立，何忠明，蔡軍.改擴建高速公路路塹邊坡拓寬方案對比分析［J］.礦冶工程，2014，34（6）：18-21.