高速公路拓寬軟土路基差異沉降分析理論與工程實踐現(xiàn)狀

范黎明

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

高速公路拓寬軟土路基差異沉降分析理論與工程實踐現(xiàn)狀

范黎明

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

軟土地區(qū)高速公路路基拓寬改建工程中，由于新舊路基地基土的固結(jié)特性、應(yīng)力路徑及承載力等方面的顯著差異性，加之新填路基對舊路基的附加荷載效應(yīng)，新舊路基的沉降速率和累積沉降量會顯著不同，往往造成新舊路基間較大的差異沉降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致路基縱向拉裂等病害。就高速公路拓寬軟土路基差異沉降分析理論研究進(jìn)展和地基處理的實踐經(jīng)驗現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，分析既有研究成果中的不足之處，探討進(jìn)一步深化研究的方向和可能路徑。

高速公路；拓寬；軟土路基；差異沉降；理論分析；地基處理

0　引言

隨著交通流量的迅速增長，拓寬改建早期建成的高速公路已成為必然需求。在軟土地區(qū)高速路基拓寬改建時，新舊路基的地基土在固結(jié)特性、應(yīng)力路徑及承載力等方面具有顯著差異性，加之新填路基對既有路基的附加荷載效應(yīng)，新舊路基的沉降速率和累積沉降量會顯著不同，路基處理措施不當(dāng)往往造成新舊路基間較大的差異沉降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致路基縱向拉裂、下沉過速、路基脫空、拓寬路基失穩(wěn)和新路面整體性下降等病害，從而影響高速公路的正常運營。

自20世紀(jì)90年代末以來，我國廣佛、滬杭甬、沈大、滬寧、津濱、唐津、京津塘等高速公路相繼擴(kuò)建加寬，因高速公路改擴(kuò)建工程相關(guān)的理論分析和施工經(jīng)驗相對不足，高速軟土路基拓寬過程中的上述病害問題時有發(fā)生，尤其是在早期實施的改擴(kuò)建工程中廣泛存在［1，2］。目前，就高速公路軟土路基拓寬而言，設(shè)計與施工規(guī)范涉及較少［3］，如《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2004）對拓寬路基的規(guī)定較為簡略［4］。本文擬就國內(nèi)高速拓寬軟土路基差異沉降理論分析研究進(jìn)展及路基處理工程實踐現(xiàn)狀予以簡述，分析既有研究成果中的不足之處，探討進(jìn)一步深化研究的可能路徑。

1 理論及實踐概述

1.1差異沉降理論分析研究現(xiàn)狀

軟土路基拓寬方面的理論分析主要考慮路基不同的應(yīng)力水平、固結(jié)程度和地基處理方法等因素，計算加寬新路基地基處理前后的路基應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及由其引起的老路基附加沉降、新舊路基差異沉降，分析新舊路基結(jié)合部在不同處治措施下的應(yīng)力應(yīng)變特性以及對減小新舊路基差異沉降的影響，并進(jìn)行新舊路基的整體穩(wěn)定性分析，預(yù)測通車后交通荷載作用下新舊路基的工后沉降及差異沉降［1］。理論分析主要有以下三類方法。

（1）數(shù)值計算方法

目前，設(shè)計施工中計算固結(jié)沉降的方法以分層總和法為主，在新舊路基差異沉降計算中，許多人也應(yīng)用分層總和法做了很多有益的探討，但應(yīng)用分層總和法沒有考慮新舊路基的相互影響，在新舊路基結(jié)合處的差異沉降計算值偏大，不能有效地反映差異沉降的橫斷面形狀。并且，分層總和法只能計算出地基頂面的不均勻變形，卻無法反映出路堤頂面的實際沉降橫斷面圖，而后者才影響著路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)［5］。目前對應(yīng)力和變形的計算主要采用有限元或有限差分法等數(shù)值計算方法。

數(shù)值計算方法中，鑒于三維模型建模非常復(fù)雜且耗用的計算資源相當(dāng)多，目前所采用的計算模型基本上為平面模型，只有極少數(shù)文獻(xiàn)采用了三維模型［5］。

對于路基土的本構(gòu)模型，土力學(xué)中發(fā)展了很多，這些模型的參數(shù)不同，所得的計算結(jié)果也存在程度不同的差異。國內(nèi)文獻(xiàn)應(yīng)用的本構(gòu)模型類型比較多，主要以摩爾-庫侖模型和鄧肯-張模型為主，也有用修正劍橋模型及DP模型，但很少有關(guān)于不同本構(gòu)模型計算結(jié)果差異比較方面的研究。

國內(nèi)方面，周志剛［6］較早開展路基拓寬的研究，他運用彈性力學(xué)平面應(yīng)變有限元法，分析了新路在自重作用下的沉降和應(yīng)力分布規(guī)律，但其假設(shè)路基土體為完全彈性，且只考慮了路堤本身，不考慮路基沉降。汪浩［7］采用基于二維比奧（Biot）固結(jié)理論分析了新路堤作為附加荷載對老路堤和地基的影響，包括新舊路堤頂面產(chǎn)生的不均勻沉降、橫坡比的改變和水平位移，新路堤的最大沉降和水平位移，拼接加寬對路堤和地基的應(yīng)力狀態(tài)的影響等。孫偉［8］對于高速公路拓寬工程，采用有限元方法分析了無處理情況下地基及填方路基的變形性狀，以及模量變化對地基及填方路基沉降的影響，認(rèn)為路基頂面最大沉降和橫向差異沉降隨軟土層模量增大而減小，但未考慮固結(jié)問題。錢勁松［9］基于ANSYS運用DP模型對老路拓寬工程（無路基處理）進(jìn)行了非線性平面應(yīng)變有限元分析，分析了拓寬方式和拓寬寬度對差異沉降的影響，總結(jié)了差異沉降的規(guī)律，同時，還提出在相同地質(zhì)條件下，采用雙側(cè)拓寬對路面結(jié)構(gòu)比較有利。蔣鑫［5］對舊路拓寬進(jìn)行了全過程的三維彈塑性有限元數(shù)值模擬，包括新路基的填筑，路面各結(jié)構(gòu)層的鋪筑及輪載最不利位置的施加等，重點分析了新舊路基不均勻沉降變形及應(yīng)力分布的規(guī)律，認(rèn)為均一路基自重作用下位移、應(yīng)力等力學(xué)響應(yīng)對稱分布的狀況因路基的拓寬而改變了，產(chǎn)生了向新拓寬路基部分集中的趨勢。章定文［10，11］采用彈塑性有限元參數(shù)分析方法，探討了在不同加寬路堤寬度、不同軟土層厚度、不同的新舊路堤剛度比時，加寬路堤的填筑對老路變形規(guī)律的影響，其地基土和路堤填料均采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型。

陳磊［12］以既建高速公路地質(zhì)資料為背景，采用Plaxis對高速公路拓寬工程中新、老路基采用不同處理方法的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬計算中對樁采用摩爾-庫侖模型，對軟土等采用修正劍橋模型。歸納起來，以上研究主要是采用有限元計算，在建模過程中考慮不同的加寬路堤厚度、軟土層厚度、路基土模量變化、新舊路堤模量以及新舊路堤的臺階拼接等工況，固結(jié)計算大多采用一維固結(jié)理論，考慮的荷載主要有路堤、路面自重應(yīng)力和均布的路面行車荷載，計算分析了新舊路基在施工過程和行車荷載作用下的沉降和應(yīng)力分布規(guī)律，而且大多是結(jié)合路基處治措施，也有分析結(jié)合路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

國內(nèi)進(jìn)一步的數(shù)值分析對鋪設(shè)土工合成材料、砂墊層、粉噴樁、攪拌樁隔離墻、CFG樁等拓寬路基處治方法以及鋪設(shè)土工格柵、挖臺階等新舊路堤拼接方法進(jìn)行了研究，揭示了各自參數(shù)變化對路基內(nèi)應(yīng)力和變形的影響以及處治效果。馮戰(zhàn)［13］研究采用土工網(wǎng)新舊路基結(jié)合部的差異沉降問題，研究新路基填土加筋后路基的沉降、水平應(yīng)力、剪應(yīng)力，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。邢良［14］運用ANSYS軟基就軟土地基上舊路加寬結(jié)構(gòu)在不同的情況（主要指不同的路基高度、不同軟土層厚度、不同的加筋層數(shù)等）下，對土工合成材料減少新舊路基不均勻沉降的效果進(jìn)行分析計算，討論了軟土地基上加寬路堤在不同情況下的變形特征和沉降規(guī)律。晏莉［15］針對老路拓寬時采用人工合成材料處治結(jié)合部的特點，將新舊路基、路面結(jié)構(gòu)作為整體，從路基位移、路基頂面應(yīng)力及土工合成材料拉力分布等方面，研究土工合成材料處治新舊路基結(jié)合部的作用機(jī)制，分析不同加筋層數(shù)和不同路基填土高度下的處治效果。吳瑞麟［16］采用ADⅠNA軟件對土工格柵處理拓寬路堤不均勻變形的作用效果進(jìn)行了分析和監(jiān)測驗證，認(rèn)為土工格柵對減小路堤不均勻豎向附加變形、側(cè)向位移以及基底不均勻附加應(yīng)力有顯著效果。章定文［17］采用二維彈塑性有限元法探討了深層攪拌樁隔離墻處理擴(kuò)建部分軟基的適宜性和可行性，證明了設(shè)置隔離墻對新舊路豎向沉降改善作用明顯，同時分析了隔離墻設(shè)置在不同位置時的作用效果。蘇超［18］采用平面有限元法就隔離墻在工程中的作用進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了隔離墻兩側(cè)的受力分布及位移規(guī)律，表明隔離墻可有效地減少錫澄高速公路拼接后公路主線中心的附加沉降量。于國鋒［19］用有限元方法對粉噴樁的處治效果進(jìn)行了分析，認(rèn)為隨著粉噴樁作用深度和置換率的增加，路基的沉降量降低，不均勻沉降變形的程度減少。李茂英［20］采用有限元法對佛山-開平高速公路拓寬工程標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行分析，采用不同參數(shù)計算出水泥土攪拌樁復(fù)合地基的新舊路基差異沉降。

（2）模型試驗方法

模型試驗方法以小比尺的物理模型試驗達(dá)到再現(xiàn)原型特性的效果，通過模型研究拓寬路基的應(yīng)力與位移場規(guī)律，可以與數(shù)值計算方法互為驗證。國內(nèi)外常用的模型試驗是離心模型試驗，模擬軟土地基、新舊路基有加筋土工情況下的沉降和孔隙水壓力情況，預(yù)測路基的變形和穩(wěn)定性，評價處理效果。

國內(nèi)有南京水利科學(xué)院、東南大學(xué)進(jìn)行了離心模擬試驗，研究了路基內(nèi)的應(yīng)力和以及孔隙水壓力變化情況，并采用數(shù)值方法進(jìn)行了模擬。

離心模型試驗在保證原型與模型幾何相似的前提下，可保持它們的力學(xué)特性相似，應(yīng)力應(yīng)變相同，破壞機(jī)理相同，變形相似［21，23］，但在模擬路堤軟土路基誤差時，如土的密度、均勻度、結(jié)構(gòu)性等，模擬材料相似等難題沒有很好解決，還需要不斷發(fā)展改進(jìn)。

（3）結(jié)合現(xiàn)場試驗與監(jiān)測的反分析法

通過現(xiàn)場試驗段的監(jiān)測來對拓寬路基應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究以驗證理論分析和計算結(jié)果，是一種實用和可靠的方法。監(jiān)測的內(nèi)容一般包括施工過程的新舊路基沉降、土壓力、水平位移、孔隙水壓力等內(nèi)容。由于地基參數(shù)的可靠性影響到計算結(jié)果，室內(nèi)試驗結(jié)果不能在宏觀上完整地反映特定地點和條件下的力學(xué)性質(zhì)，而拓寬路基的變形控制又比較嚴(yán)格，因此，利用現(xiàn)場實測資料，采用參數(shù)反分析的方法來確定地基參數(shù)，以綜合反映拓寬路基的基本特性，再利用有限元方法計算拓寬路基的應(yīng)力應(yīng)變特性和預(yù)測工后沉降，是一種較好的研究方法。

謝家全［24］利用實測資料，采用參數(shù)反分析法來修正試驗參數(shù)后，將拼接荷載再逐級施加，使以后的沉降計算更加切合實際。章定文［3］也提到在錫澄高速公路與滬寧高速公路的拼接工程中，地基參數(shù)反分析的方法得到了較好的應(yīng)用。綜合而言，對新建高速公路沉降的反分析比較多，但對于拓寬路基，由于其加載過程特殊，引起的應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律相對復(fù)雜一些，目前在這方面的研究工作偏少。

1.2軟土路基拓寬地基處理技術(shù)現(xiàn)狀

拓寬路基的設(shè)計和施工關(guān)鍵是實現(xiàn)對差異沉降的合理有效控制，而穩(wěn)定性要求一般容易滿足，不是研究重點。拓寬軟基一般都需要采取處治措施，才能達(dá)到控制新舊路基差異沉降的目的。拓寬軟基的處治技術(shù)主要包括地基和結(jié)合部的處治。

（1）拓寬工程地基處理方法

嵇如龍等［25］根據(jù)軟土地基上道路拓寬所出現(xiàn)的不均勻沉降和路面裂縫等病害，從軟土地基沉降入手，并結(jié)合軟土地基處理、新舊路基結(jié)合部位處理等進(jìn)行分析研究，通過高、低路堤試驗路段的實踐，提出比較合理的路基拓寬處理方法。張濤［26］分析了公路加寬后新舊路基差異沉降給公路帶來破壞的原因，提出了設(shè)計及施工措施的方法。國內(nèi)滬杭高速公路（2001）拓寬工程（采用預(yù)應(yīng)力管樁結(jié)合土工格柵）、南京繞城高速公路擴(kuò)建工程（2003）（采用PCC現(xiàn)澆薄壁管樁結(jié)合土工格柵碎石墊層）以及滬寧高速公路擴(kuò)建工程（2003）（采用預(yù)應(yīng)力管樁和鋼筋網(wǎng)）等都在部分路段采用了這種地基處理方法，并取得較好效果。河海大學(xué)（2003）也對滬寧高速公路拓寬工程中采用的樁網(wǎng)復(fù)合地基處理進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究。吉文志［27］結(jié)合淤泥河試驗路段的詳細(xì)設(shè)計施工情況及沈大路加寬技術(shù)研究課題組的研究成果，論述了塑料排水板法在沈大路軟土路基段加寬工程中的適用性。另外，郭志邊等［28］以錫澄-滬寧高速公路拼接段工程為例，結(jié)合工程造價、處理效果對公路路堤拼接的地基處理方法進(jìn)行了分析探討，認(rèn)為折線定噴、小角度擺噴的分離式定噴墻方案能明顯減少原有路堤的工后沉降，施工方便、快速、經(jīng)濟(jì)。

（2）新舊路基結(jié)合部處治技術(shù)

為了使加寬部分路堤和既有路堤緊密銜接形成整體，減少新舊路堤的不均勻沉降，防止路面開裂，加寬工程中經(jīng)常采用土工合成材料處理。對土工合成材料在軟土地基上加寬路基工程中的應(yīng)力應(yīng)變特性，楊茂等［29］成功地將土工合成材料應(yīng)用于我國內(nèi)蒙古5103線喇嘛灣—大飯鋪段公路改建中，解決了路基下沉和新舊路基土體結(jié)合處路面反射裂縫等公路病害問題。李鎖平等［30］將土工格柵砂礫墊層用于軟基上既有道路改造工程，認(rèn)為土工格柵砂礫墊層能夠有效地加強(qiáng)新填路基與既有路基的整體性，提高地基的承載力，解決路基的不均勻沉降。何通海［31］針對高速公路改擴(kuò)建工程的特點，對軟土地基段新舊路基間的銜接技術(shù)特別是土工合成材料的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討，并提出了相關(guān)的設(shè)計方案和施工工藝。馮光樂等［32］采用4種離心模型試驗方案，對不同布置方式、不同壓實度情況下的土工合成材料處理橋頭過渡段路基的沉降變形進(jìn)行了研究，得出土工合成材料處理的主要作用是使過渡段路基臺階型沉降轉(zhuǎn)化為沉降坡差，而不是降低沉降至某一值，并且得出上部密長的半斷面布置為最優(yōu)布置的結(jié)論。汪浩［7］通過離心模型試驗舊路堤填筑、有無路堤加筋的拼接加寬和極限破壞4種情況，量測加寬過程中不均勻沉降和孔隙水壓的發(fā)展以探求新舊路堤的相互影響，對比分析有無路堤加筋加寬的效果，量測加筋路堤中筋材的拉應(yīng)變分布，并對極限狀態(tài)下加寬路堤的破壞方式和位置進(jìn)探討，輔以試驗段工程，驗證和修正有限元分析的結(jié)果。孟慶山等［33］針對高速公路工程高填方路段新舊路堤拼接問題，利用離心模型試驗手段，進(jìn)行提高填料壓實度灰改性措施下拼接路堤協(xié)調(diào)變形試驗研究，結(jié)果表明：拼接路堤壓實度提高能效減小路堤本身變形，但對差異沉降的控制效果不大；對填料進(jìn)行石灰改性后，可減小路堤本身的變形，還能減小路面不同部位之間的差異沉降。

2　目前研究存在的不足

軟土地區(qū)高速公路拓寬工程，由于理論技術(shù)和分析模式的復(fù)雜性，當(dāng)前設(shè)計和施工方法大都是沿襲了新建路基的設(shè)計和施工方法，針對拓寬路基的設(shè)計和施工方法多為經(jīng)驗性，缺乏充分的系統(tǒng)理論研究，主要存在以下幾個方面的問題。

（1）理論分析方法方面

從已有文獻(xiàn)報道來看，新舊路基應(yīng)力應(yīng)變分析的計算模型還偏于理想，進(jìn)行了過多的簡化，而且大多以二維模型為主，也不能較真實地模擬實際施工工況。由于老路基已固結(jié)多年，且存在如塑料排水板、粉噴樁等人工處理措施，但目前沒有將新路基和老路基的土體參數(shù)選取區(qū)別對待，因此計算參數(shù)的選取不盡合理科學(xué)，也無法明確考慮參數(shù)的變異性。在數(shù)值模擬中，基本上沒有考慮荷載、地下水位等邊界條件的變化，而這此變化對路基變形的影響是不能忽視的。軟土具有流變性質(zhì)，研究表明，軟土路基的蠕變變形比較顯著，不能被忽略，但目前的理論計算中都未考慮軟土變形的時間效應(yīng)問題，故對拓寬路基中長期變形的預(yù)測并不全面可靠。目前的數(shù)值分析大都基于傳統(tǒng)的有限元分析，而新舊路基的沉降發(fā)生到最終裂縫的產(chǎn)生將伴隨著大變形和裂紋，因此在分析過程中必須選用合適的數(shù)值分析方法以模擬路基的裂縫問題。

（2）新舊路基的相互作用方面

新舊路基在施工和運營過程中，由于老路基的開挖、新路基的填筑以及交通荷載和地下水滲流的改變等因素，新舊路基之間必然會存在相互的作用。這種相互作用對新舊路基分別會產(chǎn)生怎樣的影響，需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究。通過分析不同施工和運營條件下的新舊路基的應(yīng)力應(yīng)變特性來確定合適的設(shè)計和施工方法，以保證路基加寬工程在施工和運營過程中的穩(wěn)定。這方面的研究相對較少，而對于加寬工程施工和運營過程中的新舊路基的相互作用特性有待于進(jìn)行深入的研究。

（3）拓寬路基處理技術(shù)方面

拓寬軟基處理方法上，盡管已有多種處理方法實踐和理論計算，但仍然存在拓寬路基與老路基特別是原構(gòu)筑物連接處的地基沉降控制不理想，運營一段時間后路面出現(xiàn)縱橫向裂縫的問題。目前，拓寬路基處治方法主要有地基樁加樁帽、土工格柵、砂墊層等，新舊路堤拼接結(jié)合部處治方法有開挖臺階、鋪土工格柵等，但對這些方法如何綜合應(yīng)用，方案如何優(yōu)選，以及在拓寬路基差異沉降控制方面的綜合效果都缺乏研究和評價，數(shù)值模擬結(jié)果也不十分可靠，因而實際設(shè)計和施工中存在一定的盲目性，造成不必要的浪費。由于高速公路擴(kuò)建加寬工程工期緊、施工場地狹窄，同時還要維持既有公路的正常交通運輸?shù)仍?，軟基處理方法的?yōu)選是應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)。

擴(kuò)建加寬工程設(shè)計中一個重要問題是如何處理填方段新舊路基之間的銜接，即如何處理新舊路堤的不均勻沉降。要采取有效的技術(shù)措施保證加寬路基與舊路基的良好銜接，使其成為一個良好的整體，避免或減少橫向錯臺和縱向裂縫。目前這方面的設(shè)計和施工方法大多為經(jīng)驗性的，臺階開挖的尺寸、內(nèi)傾的角度、壓實的密度，加筋材料協(xié)調(diào)變形的機(jī)理、加筋的位置、數(shù)量等都存在較大的差異，都缺乏必要的理論分析。另外，對于加寬、加筋路基的穩(wěn)定性分析也需要進(jìn)行深入的研究。

3　進(jìn)一步研究展望

（1）軟土路基拓寬差異沉降機(jī)制及理論研究

基于軟土路基拓寬工程病害問題調(diào)研，總結(jié)軟土路基拓寬工程差異沉降規(guī)律?；诂F(xiàn)場試驗監(jiān)測的反分析，開展軟土路基拓寬離心模型試驗分析，分析試驗過程中變形及應(yīng)力場變化特征、裂紋產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律，為建立系統(tǒng)的差異沉降理論分析方法奠定基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上，對已有的復(fù)合地基沉降計算公式進(jìn)行修正，提出軟土路基拓寬工程地基沉降計算簡化模式。

（2）軟土路基拓寬工程設(shè)計及優(yōu)化

針對目前軟土路基拓寬工程新路基處置中常用的一些地基處理方法，如：剛性樁復(fù)合地基（帶帽預(yù)應(yīng)力管樁）、柔性樁復(fù)合地基（水泥土攪拌樁）、淺層換填地基（加筋換填墊層）、輕質(zhì)填料路堤（ESP、泡沫輕質(zhì)土等）等，采用數(shù)值計算方法研究具體工況條件下復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)（樁徑、樁間距、樁長、樁身強(qiáng)度）、墊層厚度、加載速率、沉降速率及累計沉降量指標(biāo)等。通過對設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，提出相應(yīng)的地基處理優(yōu)化處置方案。

采用數(shù)值計算方法研究新舊路基相互作用及土工合成材料在新舊路基結(jié)合部連接中的作用機(jī)理，優(yōu)化路基拼接設(shè)計參數(shù)（銑坡坡率、臺階高寬比），分析比較不同土工合成材料、不同埋設(shè)位置、不同加筋數(shù)量、搭接長度等條件下的加筋材料對于路基拼接時路基沉降、應(yīng)力集中和整體穩(wěn)定性等的改善作用，確定合理的新舊路基結(jié)合部的工程處理技術(shù)措施。

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U416.1

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1009-7716（2015）05-0043-05

2015-01-04

范黎明（1956-），男，天津人，助理工程師，從事巖土工程勘察及監(jiān)測工作。