單側(cè)道路加寬工程中軟基處理范圍數(shù)值模擬及實測研究

趙志峰，邵光輝，高 吉

（南京林業(yè)大學 土木學院，南京 210037）

單側(cè)道路加寬工程中軟基處理范圍數(shù)值模擬及實測研究

趙志峰，邵光輝，高 吉

（南京林業(yè)大學 土木學院，南京 210037）

使用水泥攪拌樁進行地基處理已成為道路加寬工程中常用的軟基加固方式，但是對于加固范圍的確定鮮有研究。以某單側(cè)填土加寬工程為背景，選取了軟土地層厚度大、性質(zhì)較差的典型斷面進行分析。將填土簡化為梯形荷載作用，根據(jù)均質(zhì)土中的附加應(yīng)力分布可以確定水泥攪拌樁的加固深度應(yīng)不小于荷載的作用寬度。通過對不同加固方案的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，加固范圍對道路邊坡的整體穩(wěn)定性、道路沉降和水平變形等都有明顯的影響。對比研究后得出，對加寬后道路的坡腳至路肩范圍下方的軟土使用攪拌樁進行處理的效果比較明顯?，F(xiàn)場的實測研究表明提出的加固方案切實可行，可為同類加寬工程的設(shè)計和施工起到參考作用。

單側(cè)加寬；軟基；水泥攪拌樁；處理范圍；實測

隨著交通量的迅速增長，中國許多已建成道路已滿足不了需求。因此，對道路進行擴建加寬是中國公路建設(shè)中亟待解決的重要問題［1］。

在軟土地基上進行道路加寬需要解決的核心問題是如何使新老路基變形協(xié)調(diào)［2］。尤其是對于在軟土地基上的高填土路堤加寬工程而言，將面臨整體穩(wěn)定性、新老路堤的差異沉降、新老路堤的銜接等一系列問題［3－4］。

隨著中國多條高速公路加寬的完成，在路面處理和路堤結(jié)合部處理方面積累了比較豐富的經(jīng)驗［5－6］。但對軟土地基處理方面的分析相對較少，尤其是很少有研究涉及地基處理方案的比較和效果評價［7－8］，而且已有的研究主要多集中于高速公路加寬工程。實際上，現(xiàn)在市政道路和一般道路的加寬工程越來越多，這些加寬工程的投資規(guī)模和建設(shè)等級等與高速公路加寬存在明顯差異，反而面臨著更大的施工風險，因此有必要對其進行深入研究。

本文將以江蘇省某道路改建工程為實例，針對該工程存在的軟土地基、高填土等不利情況，選取軟弱地基最厚的不利斷面，對不同的地基處理方案進行了數(shù)值分析，并通過現(xiàn)場監(jiān)測證明了方案的合理性。

1 基本模型的建立

1.1 工程背景

為了使研究更有實際意義，選取了某臨水的實際道路加寬工程為工程背景進行研究。該工程為對老路堤的二次翻修擴建，拓寬采用單側(cè)加寬，填土高度超過了12 m，加寬后的路面達到20 m寬。而且路基存在軟土層，部分重點斷面的軟土層厚度在15 m以上。所以建模時選取了軟土層最厚的重點斷面，以此為基礎(chǔ)采用數(shù)值模擬對不同的地基處理范圍進行分析。

建模采用直角坐標系，y軸為豎直方向、向上為正；x軸為水平方向，向右為正。為了減小邊界效應(yīng)的影響，模型選取了盡可能大的范圍：100 m×40 m。左、右邊界施加水平向約束、不排水，下邊界為豎直和水平方向均固定、排水，上邊界為自由邊界、排水。土體的本構(gòu)模型選用摩爾庫倫模型［8］。整個模型如圖1所示。

圖1 典型計算斷面模型

1.2 工程地質(zhì)條件

在勘察深度內(nèi)，場地主要巖土層有4種：

1）填筑土：為可塑狀硬塑狀粘土、亞粘土，中 高壓縮性，結(jié)構(gòu)較松散。

2）淤泥質(zhì)亞粘土：飽和，流塑，高壓縮性。

3）粘土 亞粘土：飽和，硬塑，中偏低壓縮性。

4）強風化泥質(zhì)粉砂巖：巖石風化強烈，巖芯呈硬塑土狀，局部夾風化殘塊，干鉆較難鉆進。

根據(jù)勘察和室內(nèi)土工試驗結(jié)果，各土層的基本力學參數(shù)見表1。根據(jù)地勘報告中的土層分布，各斷面在4個深度上鉆孔取原狀土樣。采用了先進的GDS三軸試驗系統(tǒng)來獲得土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角。考慮到老路堤形成的時間較長，固結(jié)已經(jīng)完成；而填土工程施工較快，且軟土的滲透性低，因此抗剪強度的測定采用固結(jié)不排水剪試驗。各土層的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學計算參數(shù)

1.3 地基處理方案

由于該斷面存在厚達16 m的軟土層，為了保證加寬道路的整體穩(wěn)定性、減小新老路堤的不均勻沉降，必須對軟基進行處理。主要采用了3種處理方式：1）采用對老路堤進行臺階狀開挖的措施來增強新老路堤搭接的整體性；2）在新老路基的搭接處鋪設(shè)土工格柵；3）對道路下方軟土進行了加固。目前軟基處理中較有效的方法是采用水泥土攪拌樁形成復合地基［9－10］，攪拌樁樁徑0.5 m，樁距1.2 m。

圖2 不同地基處理方案示意圖

由于缺乏對道路加寬工程軟基處理范圍的研究，所以在確定水泥土攪拌樁的加固范圍時缺少明確依據(jù)。針對本工程情況，選取了5種方案進行對比研究。1）自加寬后道路的坡腳至老路堤的坡腳（AB）；2）自A點至原坡腳和新路肩的中點（A－C）；3）自A點至新路肩（A－D）；4）自A點至加寬部分的中點（A－E）；5）自A點至原路面路肩（A－F）。各加固方案的起點相同（A點），處理的深度相同（穿過整個淤泥質(zhì)黏土層），差別在于平面上的寬度不同。

2 不同加固范圍的影響

2.1 填土荷載造成的附加應(yīng)力

為了對加固范圍的確定提供理論依據(jù)，先考慮填土荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。對于單側(cè)填土工程，新填土形成的荷載為梯形荷載（不考慮臺階開挖）。就本工程而言，填土形成了等腰梯形荷載，其中a＝8 m，b＝7 m。

有學者在Boussinesq解的基礎(chǔ)上給出了梯形荷載下地基土中不同深度處豎向附加應(yīng)力的表達式。Osterberg給出了更簡單實用的計算方法［11］：

式中，Kz為a／z和b／z的函數(shù)，可根據(jù)Osterberg總結(jié)出的圖表查表確定。

根據(jù)上述方法計算梯形荷載作用下不同深度的豎向附加應(yīng)力，幾個特征點M、N和中點O下方的豎向附加應(yīng)力系數(shù)如圖3所示。

圖3 填土荷載作用下的附加應(yīng)力系數(shù)

從圖3可以看出梯形荷載作用下的豎向附加應(yīng)力系數(shù)Kz的變化規(guī)律。在地表處，梯形荷載兩端的附加應(yīng)力系數(shù)很小，而中間矩形部分的應(yīng)力系數(shù)接近1，差別很大。隨著深度的增加，兩端（M點）的附加應(yīng)力系數(shù)開始增加，而中間部分（N點、O點）的應(yīng)力系數(shù)開始衰減，二者的差別逐漸減小。在z＝16 m處，M點下方的Kz達到最大值0.30左右，N點下方的Kz為0.49，中點O下方的Kz為0.52。當z＝20 m時，矩形面積下的應(yīng)力系數(shù)幾乎相等；當z＝23 m時，整個梯形面積下方的應(yīng)力系數(shù)趨于一致。這說明達到一定深度（梯形荷載的作用寬度）時，梯形荷載在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力比較均勻。

從附加應(yīng)力分布來看，填土形成的梯形荷載對地基變形會造成顯著的影響，影響的地基土深度基本等于荷載作用的寬度。加固的平面范圍應(yīng)包括整個附加應(yīng)力作用區(qū)域（2a＋b），即加固方案5。但在實際工程中，部分填土作用在老路堤之上，新老路堤的相互作用會對附加應(yīng)力的分布有所改善，因此并不需要如此大的加固范圍。而且攪拌樁的現(xiàn)場施工需要將老路堤開挖后才能進行，所以加固方案5在現(xiàn)實中很難操作。從附加應(yīng)力系數(shù)的分布來看，中間矩形部分的附加應(yīng)力較大，所以加固范圍從理論上應(yīng)至少包含該部分（a＋b），即加固方案3。下面通過數(shù)值計算來比較幾種加固方案的差別。

2.2 數(shù)值計算結(jié)果

數(shù)值模擬時考慮了基本的施工步驟：原有路堤填筑固結(jié)、老路堤開挖和新路堤填筑。由于考慮的是不利情況，所以認為新路堤的填筑是在不排水的情況下進行。

2.2.1 整體穩(wěn)定性 進行了不同加固范圍下的整體穩(wěn)定性計算，計算采用的是強度折減法［12］。當不采用任何措施時，安全系數(shù)小于1，整體穩(wěn)定無法得到保證。

圖4 采取不同方案的安全系數(shù)

當采取加固方案1時，路堤的整體安全系數(shù)為1.06，安全儲備略顯不足；當采取加固方案2時，安全系數(shù)增加至1.18，基本滿足穩(wěn)定要求；當采取加固方案3時，安全系數(shù)已達到1.33。加固范圍越大，安全系數(shù)相對越高（圖4）。從邊坡穩(wěn)定的角度出發(fā)，加固范圍達到方案3即可。

2.2.2 位移計算結(jié)果

1）豎向沉降

對于單側(cè)加寬工程而言，新填土作用在一側(cè)的原有路堤邊坡上，勢必會造成路基的沉降不均勻。采取攪拌樁處理后，可以形成復合地基，原有的軟基性質(zhì)得到了改善，對沉降可以起到改善作用［13］。

不同方案的沉降計算結(jié)果表明在加寬荷載作用下，地表沉降呈現(xiàn)老路堤中心處小，新路堤形心處大的馬鞍形分布，這與前人研究成果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)一致［14－15］。從不同加固方案時的變形可以看出，隨著加固范圍的增加，最大沉降位置從新路路肩逐漸向內(nèi)轉(zhuǎn)移。所以在老路至新路肩這一區(qū)域應(yīng)重點加固。綜合各計算結(jié)果表明，加固范圍越大，安全系數(shù)越高，變形越小。但隨著加固范圍增大到一定程度后，對變形和穩(wěn)定的改善效果并不明顯。

表2 不同加固方案的變形量

為了比較各加固方案對于改善沉降的效果，選取道路加寬部分的中點為特征點，考查該位置不同深度處的沉降情況（見圖5）。當采取加固方案1時沉降較大，填土表面處的沉降超過300 mm。當加固范圍擴大時，沉降得到明顯控制。土體沉降隨著深度的增加而迅速減小，各方案下土體的深層沉降相差不大。值得注意的是，當攪拌樁加固范圍達到一定面積時，繼續(xù)擴大加固范圍的效果會不明顯。例如方案5和方案4相比，各深度處的沉降值減小的非常有限。

圖5 采取不同方案的沉降曲線

2）水平位移

在填土工程中一般比較關(guān)心坡腳水平位移。通過數(shù)值計算的結(jié)果可以看出，隨著加固范圍的增加，路基的位移逐漸減小，但減小的幅度在下降。

圖6 采取不同方案的坡腳水平位移

根據(jù)簡化模型的理論分析和數(shù)值計算結(jié)果，并考慮到實際施工的可操作性，單側(cè)道路加寬工程的軟基處理平面范圍可以采用加固方案3或方案4，即對加寬后道路的坡腳至路肩這個寬度下方的軟土進行處理，這樣可以達到較好的處理效果和經(jīng)濟性。在實際工程的加固中采用的加固范圍介于方案3和4之間，下面通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析說明該方案的合理性。

3 現(xiàn)場實測結(jié)果分析

為了解道路加寬施工過程中的變形情況，在典型斷面上布置了變形監(jiān)測點，主要監(jiān)測了路面沉降、深層水平位移、坡腳水平位移等內(nèi)容，此外還進行了竣工后的工后沉降監(jiān)測。由于是市級道路，各種條件非常有限，所以監(jiān)測工作開展的比較困難。

1）路面沉降

圖7 填土完成時的沉降變形圖／cm

在新填土形成的路面中部和右側(cè)路肩處布置了沉降標（如圖7中的A、B所示）來觀測填土后的沉降變形。當填土完成時，左側(cè)沉降標（A點）測得的沉降值為30 cm左右；右側(cè)沉降標（B點）測得的沉降值為20 cm左右。實測數(shù)據(jù)說明新老路堤存在著不均勻沉降，但在控制允許范圍內(nèi)。同數(shù)值模擬情況進行比較，A點數(shù)值模擬的沉降值在34 cm左右，B點為24 cm，略大于實測結(jié)果。

2）坡腳水平位移

在坡腳處設(shè)置了位移觀測墩，但由于施工等各方面原因，觀測墩在填土達到一半高度時被損壞從而無法繼續(xù)監(jiān)測。最后觀測得到的坡腳累計水平位移為25 mm，而數(shù)值計算的結(jié)果約為30 mm，累計水平位移屬于安全的范圍內(nèi)。

3）深層土體水平位移

圖8 深層土體水平位移

在坡腳下方設(shè)置了測斜管以觀測深層土體水平位移。實測各測點的累計水平位移和數(shù)值模擬的結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，水平位移隨著如土深度的增加而逐漸減小，采用方案3時最大的水平位移為77 mm。在淺層部位，數(shù)值計算的結(jié)果大于實測結(jié)果；在距管口10 m深度以下部分，數(shù)值計算和實測結(jié)果比較接近。由于勘察、土層參數(shù)、施工過程、觀測等各方面的原因，數(shù)值計算的結(jié)果與實測存在一定的誤差。

4）工后沉降

圖9 特征點的工后沉降變形

在加寬工程竣工后，還進行了工后沉降觀測，沉降觀測點位置同施工期路面沉降的觀測點。監(jiān)測頻率為每月1次，共進行了5次觀測。從圖9可以看出，A、B 2個位置的工后沉降都明顯呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。A點的工后沉降早期比較大，在竣工150 d后，2個點的沉降基本相同。說明軟基處理后，道路的工后沉降得到了較好的控制。

4 結(jié) 論

1）在軟土地基上進行道路加寬時，對軟基采用水泥攪拌樁進行處理可以有效的增強整體穩(wěn)定性，減小道路變形。

2）通過對單側(cè)道路加寬工程的理論分析和不同加固方案的數(shù)值比較可以發(fā)現(xiàn)，對加寬后道路的坡腳至路肩這個寬度下方的軟土使用攪拌樁進行處理的效果比較明顯而且便于施工。當加固區(qū)域進一步增大時，效果的改進并不明顯。

3）從施工期和工后沉降的監(jiān)測結(jié)果來看，采用合理的地基加固方案后，該工程的變形處于控制范圍之內(nèi)，道路竣工后穩(wěn)定性較好。

［1］高翔，劉松玉，石名磊.軟土地基上高速公路路基擴建加寬中的關(guān)鍵問題［J］.公路交通科技，2004，21（2）：29-33.

Gao X，Liu S Y，Shi M L.Key problems in embankment widening of expressway on soft ground［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2004，21（2）：29-33.

［2］張軍輝.不同軟基處理方式下高速公路加寬工程變形特性分析［J］.巖土力學，2011，32（4）：1216-1221.

Zhang J H.Analysis of deformation behavior of expressway widening engineering under different foundation treatment［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（4）：1216-1221.

［3］Gnanendran C T，Manivannan G，Lo S C R.Influence of using a creep rate or an elastoplastic model for predicting the behavior of embankments on soft soils［J］.Canadian Geotechnical Journal，2006，43（2）：134-154.

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

Zhang D W，Liu S Y.Numerical analysis of interaction between old and new embankment in widening of freeway on soft ground［J］.China Journal of Highway and Transport，2006，19（6）：7-12.

［5］Zhang J H， Huang X M. Numerical analysis of geosynthetic-reinforced embankments of the road widening［C ］／／2nd International Geo-Changsha Conference.Singapore：CI-Premier Conference Organisation，2007：441-446.

［6］劉觀仕，孔令偉，李雄威，等.高速公路軟土路基拓寬粉噴樁處治方案分析與驗證［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（2）：309-315.

Liu G S，Kong L W，Li X W，et al.Analysis of treatment scheme for soft foundation in expressway widening project and its verification［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（2）：309-315.

［7］Akou Y，Magnan J P，Dubreucq T，et al.Centrifugal analysis of embankment widening on soft clay［J］.Geotechnique，2000，50（3）：221-233.

［8］李茂英，曾慶軍，莫海鴻，等.高速公路拓寬工程沉降控制復合地基優(yōu)化設(shè)計［J］.巖土力學，2008，29（2）：535-540.

Li M Y，Zeng Q J，Mo H H，et al.Optimum design of composite foundation according to settlement control for extension project of expressway［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29（2）：535-540.

［9］Hiroshi M，Mitsuo N.Design and numerical analysis of road embankment with low improvement ratio deep mixing method ［C］／／ Geotechnical Engineering for Transportation Projects：Proceedings of Geo-Trans，2004：ASCE，2004：1395-1402.

［10］Reinaldo V M，Yong S.Geogrid-reinforced and pilesupported roadway embankment［C］／／Proceedings of Sessions of the Geo-frontiers 2005 Congress，Texas：The Geo-institute of the American Society of Civil Engineers，2005：11-20.

［11］Braja M D.Principles of geotechnical engineering［M］.Cengage Learing，USA，2010.

［12］Duncan J M.State of the art：Limit equilibrium and finite element analysis of slopes［J］.Journal of Geotechnical Engineering，ASCE，1996，122（7）：577-596

［13］龔曉南.廣義復合地基理論及工程應(yīng)用［J］.巖土工程學報，2007，29（1）：1-13

Gong X N.Generalized composite foundation theory and engineering application［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29（1）：1-13.

［14］劉金龍，張勇，陳陸望，等.路基拓寬工程的基本特性分析［J］.巖土力學，2010，31（7）：2159-2163.

Liu J L，Zhang Y，Chen L W，et al.Basic characters of road widening engineering ［J］. Rock and Soil Mechanics，2010，31（7）：2159-2163.

［15］Hjortnes P A，BROERS H.The behavior of soft subsoil during construction of an embankment and its widening［C］／／ Proc.Centrifuge 94. Rotterdam：Balkema，1994：567-574.

（編輯 胡 玲）

Numerical Simulation and Field Monitoring Research of Reinforcement Range of Soft Ground on One Side Road Widening Project

Zhao Zhifeng，Shao Guanghui，Gao Ji
（College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，P.R.China）

As one of common reinforcement measure，cement mix pile is widely used in soft ground treatment of road widen project，while relevant studies on reinforcement range is insufficient.According to the one side road widening project，the cross-section of deep soft ground is analyzed.When fill is simplified as trapezoid load，the conclusion that reinforcement depth of cement mix pile should greater than load breadth can be gained by addition stress distribution.Based on the numerical simulation of different reinforcement measures，the slope stability，road settlement and horizontal deformation are influenced greatly by reinforcement range.Comparison research indicates that when the soft ground from slope toe to road shoulder is strengthened，the improvement effect is obvious.The numerical simulation and field monitoring resules show that reinforcement measure is suitable.Meanwhile，this study can provide reference to similar project.

one side widen；soft ground；cement mix pile；reinforcement range；field monitoring

TU433

A

1674-4764（2014）03-0006-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.03.002

2013-12-21

住建部研發(fā)項目（2011-K3-33）

趙志峰（1978-），男，博士，副教授，主要從事巖土力學與地基基礎(chǔ)研究，（E-mail）zzf0911＠163.com。