軟土層厚度對加寬路堤沉降變形特征的影響分析

張建軍，董 云

（1.江蘇淮安交通勘察設(shè)計研究院有限公司；2.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安223001）

軟土層厚度對加寬路堤沉降變形特征的影響分析

張建軍1，董 云2

（1.江蘇淮安交通勘察設(shè)計研究院有限公司；2.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安223001）

在S331大汕子隔堤段搭接路堤現(xiàn)場調(diào)查及室內(nèi)外試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用plaxis建立有限元計算模型，分析了不同軟土厚度下搭接路堤沉降變形特征。結(jié)果表明：對于填土高度一定的搭接路堤，當(dāng)軟土層小于一定厚度時，搭接路堤的差異沉降隨軟土層厚度的變化較?。浑S著軟土層厚度增加，差異沉降隨軟土層厚度的增加而顯著增加；當(dāng)軟土層大于一定厚度后，總體沉降及差異沉降均不再隨軟土層厚度的增加而顯著增加。

軟土地基；搭接路堤；差異沉降；固結(jié)

在公路的改擴(kuò)建工程中，為最大限度地利用老路，節(jié)約工程投資，常用沿老路加寬的擴(kuò)建形式，而在這種擴(kuò)建形式中，特別是在東部軟土地區(qū)，由于老路經(jīng)歷了長時間的行車荷載作用，路堤及地基的固結(jié)變形已經(jīng)完成，而新填筑的路堤，如不能很好地控制其工后沉降，將引起新老路堤的差異沉降，導(dǎo)致路堤開裂，路面破壞。

為此，國內(nèi)外很多學(xué)者開展了相關(guān)的研究，高巨田等認(rèn)為搭接路堤的變形特征為老路堤中心最小、加寬路堤斷面形心垂線位置最大[1]；傅珍等提出拓寬公路的差異沉降在新舊路基銜接處發(fā)生突變[2]；沈大高速公路改建加寬工程路堤加寬技術(shù)研究課題組提出了新加寬路堤工后沉降量不大于8cm的控制標(biāo)準(zhǔn)。其他還有大量的學(xué)者對軟土地基上的公路改擴(kuò)建問題進(jìn)行過研究，研究內(nèi)容主要圍繞搭接路基不均勻沉降的計算及其防治[3-4]。

然而，在上述差異沉降的防治中并沒有考慮造價的影響。本文結(jié)合依托工程，對不同軟土層厚度條件下，搭接路堤的變形特征進(jìn)行了模擬分析，旨在為搭接路堤的差異沉降控制提供依據(jù)和參考。

1 依托工程概況

S332改擴(kuò)建工程大汕子隔堤段，沿線12km分布著2～5米的軟土層，但由于大汕子隔堤南側(cè)為高郵湖，北側(cè)為寶應(yīng)湖及與大汕子隔堤平行的金寶河，受地理?xiàng)l件的限制，最直接的改擴(kuò)建方案為路堤沿原大汕子隔堤直接加寬填筑，初擬的道路橫斷面布置如圖1所示。

圖1 依托工程斷面布置示意圖

由于大汕子隔堤填筑已久，且長期經(jīng)歷行車荷載的作用，固結(jié)變形已基本完成，而北側(cè)的平臺比大汕子隔堤低約5米，加寬填筑路堤具有鮮明的搭接路堤的特征。

2 計算模型

2.1 模型尺寸

根據(jù)現(xiàn)場勘測和路線選線的結(jié)果，同時考慮消除邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，采用plaxis 8.5建立計算模型，確定模型尺寸為125×27m，其中，大汕子隔堤高度7m，其下為3m厚的淤泥質(zhì)粘土及厚度17m的粘土(依據(jù)現(xiàn)場勘察斷面之一確定)。水平方向兩側(cè)邊界距大堤（路堤）坡腳均大于30m，以消除水平向邊界效應(yīng)。模型縱、橫向采用同一比例，建立有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

在計算過程中，分別建立軟土層厚度為0～7米，其他條件完全相同的計算模型，進(jìn)行不同軟土厚度時搭接路堤的沉降計算，分析軟土層厚度對搭接路堤差異沉降的影響。

2.2 計算參數(shù)及工況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)鉆探結(jié)果，并對大汕子隔堤、平臺、地基以及路堤填料等進(jìn)行隨機(jī)取樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到模型的基本計算參數(shù)，如表1所示。

表1 模型計算參數(shù)一覽表

其中，路堤填料選擇5%石灰改良土。

計算工況從老路填筑開始，主要考慮老路工后沉降計算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬路堤填筑施工、固結(jié)變形計算[5-6]。

3 計算結(jié)果分析

3.1 施工期間搭接路堤的沉降分析

以加寬后路堤坡腳所在的水平斷面作為對比截面，得到不同軟土厚度時，搭接路堤的垂直變形如圖3所示。

（1）總體沉降的對比分析。搭接路堤的豎向總體變形具有三個特征：第一是路堤加寬后，老路堤會產(chǎn)生一定的隆起，且軟土層厚度越大，隆起越大。第二是加寬填筑路堤后，加寬部分將會產(chǎn)生較大的沉降，與老路堤隆起形成顯著的差異沉降，容易在新老路基結(jié)合部位產(chǎn)生拉裂。第三是軟土地區(qū)加寬填筑路堤會引起加寬部分外側(cè)坡腳產(chǎn)生較大的豎向隆起。軟土厚度越大，坡腳向外側(cè)的變形越大，說明軟土層厚度對搭接路堤邊坡坡腳變形的影響非常顯著。軟土層厚度對搭接路堤垂直沉降的影響曲線如圖4所示。

圖3 不同軟土層厚度時的沉降對比曲線

圖4 沉降隨軟土層厚度的變化曲線

從圖4可以看出，當(dāng)軟土層厚度較小時，本例為2米以內(nèi)時，沉降極值從107mm增加至144mm，搭接路堤的沉降隨軟土層厚度的變化比較??；當(dāng)軟土層厚度為2～5米時，搭接路堤的沉降從144mm增加至629mm，對應(yīng)的軟土層為對搭接路堤沉降影響顯著段；當(dāng)軟土層厚度從5米增加至7米時，搭接路堤的沉降從629mm增加至674mm，沉降的增加率對于沉降的絕對值而言很小。

（2）差異沉降的對比分析。從差異沉降的角度分析，通過圖3不同軟土厚度搭接路堤沉降曲線的對比可以看出，加寬路堤的差異沉降具有如下變化趨勢：

第一，當(dāng)軟土層厚度較小時，不管是邊坡重疊部分，還是加寬填筑的部分，路堤水平方向相鄰兩點(diǎn)之間的斜率變化不大，即相鄰兩點(diǎn)間的差異沉降變化并不大，這一點(diǎn)與前述軟土層厚度對加寬路堤總體沉降的影響一致，即當(dāng)軟土層厚度小于2米時，加寬路堤內(nèi)部的差異沉降與總體沉降受軟土層厚度變化的影響均不顯著。

第二，當(dāng)軟土層厚度大于2米后，對于新老路堤搭接的邊坡重疊部分，其斜率隨軟土層厚度的增加不斷增加，但沒有出現(xiàn)與總體沉降相似的臨界深度。分析認(rèn)為，出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是由于新老搭接部位受老路堤固結(jié)變形已經(jīng)完成的影響，老路基變形不大，但隨軟土層厚度的增加，搭接部位的沉降持續(xù)增加。

第三，從搭接部位與加寬路堤的差異沉降來看，當(dāng)軟土層厚度大于2米后，加寬部分路堤的沉降顯著增加，與搭接部位形成了較大的差異沉降。而當(dāng)軟土層厚度大于5米以后，由于搭接部位的沉降在增加，而加寬部分的沉降增長變緩，如圖4顯示，搭接部位與加寬路堤之間的差異沉降不再隨軟土層厚度的增加而顯著增加。分析認(rèn)為，造成這種結(jié)果的原因主要是沉降在變形范圍內(nèi)的分布更趨于均衡，最大沉降發(fā)生的位置逐步向新老路堤結(jié)合部位發(fā)展，老路部分也出現(xiàn)了較大的沉降。

通過變化路堤填土高度進(jìn)行計算及分析，可以得到與上述結(jié)論相似的臨界厚度h1（本結(jié)果為2米）和h2（本結(jié)果為5米），由此可以推論，對于任一填土高度的搭接路堤，軟土層厚度對搭接路堤總體沉降及差異沉降的的影響均服從上述規(guī)律，均存在上述兩個臨界厚度h1和h2。

3.2 搭接路堤長期沉降變形特征分析

固結(jié)完成后，可得到對比截面的沉降變形隨軟土厚度的的變化曲線如圖5所示。

圖5 長期沉降隨軟土層厚度的變化曲線

從圖5可看出，對于軟土地基上的搭接路堤，其長期沉降隨軟土層厚度的變化同樣表現(xiàn)為當(dāng)軟土層厚度的小于某一值時，長期沉降隨軟土層厚度的增加而顯著增加，本例中對應(yīng)的該厚度仍為5米，而當(dāng)軟土厚度超過該范圍時，搭接路堤的長期沉降不再顯著增加。搭接路堤的差異沉降也表現(xiàn)出與施工期間相似的特征，即在一定的軟土厚度范圍內(nèi)，差異沉降隨軟土層厚度增加而顯著增加，而當(dāng)軟土層厚度小于一定范圍（h1）或大于一定深度（h2）時，搭接路堤的差異沉降隨軟土層厚度的變化并不明顯。

另外，從最大沉降的位置看，隨著軟土層厚度的增加，最大沉降的位置逐漸由加寬路堤的中心向新老路堤搭接部位發(fā)展。當(dāng)軟土層大于一定厚度h2時，最大沉降發(fā)生位置基本固定在新老路堤的搭接部位。

采用強(qiáng)度折減法計算得到加寬路堤失穩(wěn)破壞安全系數(shù)隨軟土層的變化如圖6所示。

圖6 安全系數(shù)隨軟土層厚度的變化曲線

從圖6可看出，當(dāng)軟土層厚度較小時，搭接路堤的安全系數(shù)與老路堤相差不大；當(dāng)軟土厚度在一定范圍內(nèi)增長時，搭接路堤的安全系數(shù)較老路堤有明顯的降低；而當(dāng)軟土厚度大于一定值后，老路堤與搭接路堤的安全系數(shù)均趨于1。安全系數(shù)的計算結(jié)果說明，軟土層厚度對搭接路堤的影響是分區(qū)間的。

3.3 搭接路堤差異沉降控制分析

根據(jù)搭接路堤施工期間及長期沉降變形特點(diǎn)，對于搭接路堤的沉降控制可著重從以下幾方面考慮。

一是加寬部分的填筑會造成老路堤內(nèi)部的局部隆起，容易在搭接部位形成較大的差異沉降，并在搭接部位開裂。二是從固結(jié)變形的時間上看，當(dāng)軟土層厚度達(dá)到一定值時，軟土層厚度的變化并沒有造成固結(jié)時間的較大變化，因此，對于軟土層厚度不同時的差異沉降控制可以采用一定時間的預(yù)壓，待到固結(jié)變形基本完成時，再進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的施工。三是從軟土層厚度對搭接路堤沉降變形的影響看，不管是施工期還是長期變形，當(dāng)軟土層厚度大于一定數(shù)值時，總體沉降變形，以及差異沉降不再顯著增加。

4 結(jié)語

通過對不同軟土層厚度的搭接路堤沉降變形的計算，得到了搭接路堤沉降及控制的相關(guān)結(jié)論如下：

一是對于一定填土高度，軟土層厚度對搭接路堤差異沉降變形的影響可以分為三個階段：當(dāng)軟土層厚度小于h1時，搭接路堤的總體沉降及差異沉降均較??；隨著軟土層厚度從h1增加至h2時，沉降變形差異隨軟土層厚度增加顯著增加；而當(dāng)軟土層厚度大于h2時，沉降變形不再隨軟土層厚度增加顯著增加。

二是搭接路堤固結(jié)變形時間隨軟土層厚度的變化并非完全線性，軟土層厚度增加造成固結(jié)時間增長逐漸變小。因此，當(dāng)軟土層厚度變化較大時，可以通過一定時間的自然固結(jié)或加載預(yù)壓，有效減小搭接路堤的差異沉降。上述研究結(jié)論的取得是基于依托的實(shí)際情況，更大范圍的應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究論證。

[1]高巨田,賈志清.高速公路路基加寬引起的地基沉降特性研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2009,（4）: 95-96.

[2]傅珍,王選倉,陳星光,等.拓寬路基差異沉降特性和影響因素[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2007,7(1):54-57.

[3]章定文,劉松玉.軟土地基高速公路擴(kuò)建中新老路堤相互作用數(shù)值分析[J].中國公路學(xué)報,2006,19(6):7-12.

[4]汪浩,黃曉明.軟土地基上高速公路加寬的有限元分析[J].公路交通科技,2004，(8):21-24.

[5]唐曉松,鄭穎人,鄔愛清,等.應(yīng)用PLAXIS有限元程序進(jìn)行滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析[J].長江科學(xué)院院報,2006,23(4):13-16.

[6]陳金鋒,宋二祥,徐明.強(qiáng)度折減有限元法在昆明新機(jī)場高填方邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2010, 32(增1):636-642.

（責(zé)任編輯 劉 紅）

Analysis of the Impact of the Soft Soil Thickness on the Settlement Characteristic of Banding Embankment

ZHANG Jian-jun1，DONG Yun211，DONGG YYuunn22

(1.Jiangsu Huaian Traffic Survey and Design Institute;
2.Huaiying Institute of Technology,Huaian Jiangsu 223001,China)

To discover the affect of soft soil thickness on the differential settlement of banding embankment,the article carried out numerical simulation on the banding embankment built up on the different thickness of soft soil based on the field investigation and test results of rely project S331 with plaxis.The results show:to a given fill height,when the soft soil is less than a certain thickness,the differential settlement varied very small with the thickness for the overall settlement is not large,after that,it increased significantly with the soft soil thickness.And when the soft soil thickness is greater than another thickness,both the differential and overall settlement of banding embankment are no longer increased significantly.In addition,consolidation time and the growth of the thickness conform to logarithm model.

soft soil foundation;banding embankment;differential settlement;consolidation

TU447

：B

：1671-0142（2014）03-0062-04

張建軍（1980-），男，江蘇通州人，工程碩士在讀，研究方向?yàn)楣放c城市道路.