三嶼互通連接線軟基段落路基設(shè)計方案研究

■陳祖鑫

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004)

0 引言

三嶼新區(qū)是三都澳內(nèi)臨近主城區(qū)，用地條件較為充裕，適宜大產(chǎn)業(yè)集中開發(fā)建設(shè)的用地。某汽車公司將于七都鎮(zhèn)附近新建廠區(qū)，并于2019年9月投產(chǎn)運(yùn)營，作為材料與銷售重要通道的三嶼互通，項目具有重大意義。由于該項目連接線位于軟基段，互通連接線部分段落設(shè)計為三嶼特大橋橋梁方案，三嶼特大橋兩側(cè)設(shè)計有盤嶼路，盤嶼路路基和場地填筑將對橋梁造成影響。三嶼特大橋一側(cè)有舊橋和舊海堤，橋梁和場地施工也將對舊橋和舊海堤產(chǎn)生影響。為評估新建三嶼互通連接線橋梁、路基和兩側(cè)新建盤嶼路路基之間的相互影響，以及對既有云淡大橋和堤壩的影響，本文采用巖土有限元軟件Geo-Studio對該項目設(shè)計方案進(jìn)行計算和分析[1-5]。

1 項目概況

1.1 項目簡介

本項目起點位于晉安區(qū)宦溪鎮(zhèn)山溪村，設(shè)桃源溪互通與北二通道銜接。本項目終點擬定于連江縣潘渡鄉(xiāng)貴安村，與沿江大道(貴山公路)平交。

三嶼互通連接線設(shè)計速度60km/h，路基寬度17.5m，雙向四車道。三嶼互通連接線位于三嶼園區(qū) (如圖1所示)，連接線設(shè)計標(biāo)高11～15，兩側(cè)設(shè)計有場區(qū)道路盤嶼路，盤嶼路平均設(shè)計高8，連接線施工在前，盤嶼路施工在后，盤嶼路施工時需將場地填平至盤嶼路設(shè)計高，由于本路段為軟基地段，若先施工三嶼特大橋，后期盤嶼路路基場地填土施工時，會對橋墩造成擠壓，從而造成破壞。連接線一側(cè)有一堤壩，堤壩內(nèi)側(cè)現(xiàn)有一條防汛路，F(xiàn)K0+900樁號左側(cè)約60m處現(xiàn)有一座云淡大橋，場地的填筑也可能將對堤壩和云淡大橋產(chǎn)生影響。連接線后段為路基，若先施工連接線路基，后期施工的盤嶼路路基沉降可能會導(dǎo)致先期施工的三嶼路面不均勻沉降和開裂。

圖1 項目位置圖

1.2 地質(zhì)條件

場區(qū)主要地貌單元主要為沖海積灘涂地貌，互通連接線路基段落屬沖海積平原地貌，海拔高程-0.3～3.8m，為軟土發(fā)育路段，上部分布素填土層，下為淤泥層，厚度2.0～5.0m不等，呈飽和流塑狀態(tài)，具有含水量大、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度等特性。

本場區(qū)地震設(shè)防烈度為6度區(qū)，工程場地地震動峰值加速度為0.05g，中硬土場地特征周期為0.40s。場區(qū)近期未發(fā)生過地震，根據(jù) 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010規(guī)定，本場地屬于6度區(qū)，可不考慮砂土液化及軟土震陷問題。

2 數(shù)值分析模型

2.1 計算模型

本文采用有限元巖土軟件Geo-Studio中的Slope/W和Sigma/W模塊來進(jìn)行二維有限元分析，模擬并計算FK0+885、FK0+945、FK1+007 和 FK1+068 四個不同斷面在不同情況下的位移和穩(wěn)定性情況。穩(wěn)定性計算方法根據(jù) 《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)中的規(guī)定采用Bishop法。本項目鉆探采用快剪指標(biāo)，因此，路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)正常工況下應(yīng)達(dá)到1.35[6]。

2.1.1 FK0+885斷面

典型斷面FK0+885的計算模型如圖2所示，斷面主線為三嶼特大橋，左側(cè)為既有的云淡大橋和防汛路，橋下兩側(cè)分別為將新建的盤嶼路的左右線，盤嶼路中間將其填平。計算模型范圍140m寬，55m高。根據(jù)實際鉆探結(jié)果，地下水位埋深約為1.8m，盤嶼路路堤填料為土方，盤嶼路軟基處理采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土(填砂 6～8m)、卵石、淤泥或淤泥質(zhì)粘土(3～5m)、卵石、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束，模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

圖2 FK0+885數(shù)值計算模型

2.1.2 FK0+945斷面

典型斷面FK0+945的計算模型如圖3所示，斷面主線為三嶼特大橋，左側(cè)為既有堤壩和防汛路，橋下兩側(cè)分別為即將新建的盤嶼路的左右線，盤嶼路中間將其填平。計算模型范圍150m寬，50m高。根據(jù)實際鉆探結(jié)果，地下水位埋深約為2.5m，盤嶼路路堤填料為土方，由于靠近堤壩，為避免軟基施工對堤壩產(chǎn)生影響，靠近堤壩一側(cè)的盤嶼路軟基處理采用高壓旋噴樁，遠(yuǎn)離堤壩的一側(cè)采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土(填砂3～8m)、淤泥或淤泥質(zhì)粘土(2～6m)、卵石、淤泥(1～2m)、中砂、卵石。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束，模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

圖3 FK0+945數(shù)值計算模型

2.1.3 FK1+007斷面

典型斷面FK1+007的計算模型如圖4所示，斷面主線為三嶼連接線路基，三嶼路基左右兩側(cè)為盤嶼路路基，三嶼路基標(biāo)高為13.1，高于盤嶼路路基，右側(cè)設(shè)置扶壁式擋土墻。左側(cè)為既有堤壩和防汛路。計算模型范圍160m寬，45m高。根據(jù)實際鉆探結(jié)果，地下水位埋深約為2.2m，路基填料為土方，由于三嶼連接線路基填方較高，且淤泥層中夾雜了卵石，因此軟基處理采用小直徑鉆孔灌注樁的方式，灌注樁直徑0.5m，平均樁長22m，樁間距2m，兩側(cè)盤嶼路填土高度較矮，靠近堤壩一側(cè)的軟基處理采用高壓旋噴樁，另一側(cè)采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土(填砂 7～11m)、淤泥(0～1m)、中砂、卵石、淤泥(2～6m)、卵石。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束，模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

圖4 FK1+007數(shù)值計算模型

2.1.4 FK1+068斷面

典型斷面FK1+068的計算模型如圖5所示，斷面主線為三嶼連接線路基，三嶼路基左右兩側(cè)為盤嶼路路基，三嶼路基標(biāo)高為11.3，高于盤嶼路路基，右側(cè)設(shè)置衡重式擋土墻。左側(cè)為既有堤壩和防汛路。計算模型范圍150m寬，35m高。根據(jù)實際鉆探結(jié)果，地下水位埋深約為1.7m，路基填料為土方，雖然三嶼連接線路基填方較高，但淤泥層不厚，因此軟基處理采用擠密砂樁，兩側(cè)盤嶼路填土高度較矮，靠近堤壩一側(cè)的軟基處理采用高壓旋噴樁，另一側(cè)采用擠密砂樁。土層自上到下分別為沖填土 (填砂3～7m)、淤泥(0～2m)、中砂(2～5m)、卵石(0～2m)、淤泥(3～4m)、卵石。邊界條件模型右側(cè)為橫向約束，模型底部和左側(cè)為固定支座約束。

圖5 FK1+068數(shù)值計算模型

2.2 計算參數(shù)

計算參數(shù)均采用摩爾庫侖模型，土層參數(shù)取自實際工程鉆探和室內(nèi)資料，其他參數(shù)參考期刊文獻(xiàn)[1-5]，其參數(shù)見表1所示。

3 計算結(jié)果

基于以上模型和參數(shù)，本文對四個典型斷面FK0+885、FK0+945、K1+007和 K1+068進(jìn)行穩(wěn)定性、位移和變形計算，并分析現(xiàn)有方案的合理性。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3.1 FK0+885斷面

FK0+885斷面離既有云淡大橋較近，橋下盤嶼路軟基處理采用高壓旋噴樁和擠密砂樁的處理方式，處理長度為11～13m。處理后經(jīng)驗算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.691，此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖6 FK0+885邊坡穩(wěn)定性

圖7～圖8為路基采用軟基處理后，進(jìn)行堆載后的位移云圖。從圖中可以看出，豎向位移云圖為從路基中心點往外呈放射狀，橫向位移云圖特點為在路基中線左右兩側(cè)基本對稱。路基橫向和豎向位移隨深度增加逐漸減小，在路基范圍內(nèi)豎向沉降明顯要大于橫向位移。但云淡大橋因路基填筑產(chǎn)生的水平位移為豎向位移的25倍，因此本節(jié)主要討論云淡大橋的水平位移。

圖7 FK0+885斷面豎向位移云圖(m)

圖8 FK0+885斷面橫向位移云圖(m)

在盤嶼路堆土的荷載作用下，地基發(fā)生沉降，對既有的云淡大橋產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用。計算結(jié)果如圖9所示(選取云淡橋靠近路基一側(cè)的橋墩作為觀測點，X軸代表云淡大橋橋墩水平位移，方向水平向左，Y軸代表高度，即云淡橋面為0點，向下為正)，若軟基無處理，填土對既有云淡大橋產(chǎn)生的最大水平位移為0.49cm，采用軟基處理后降低為0.32cm，最大位移值位于9～11m深處，即淤泥層所在位置?？梢钥闯?，軟基處理前后，云淡大橋位移減少了35%且控制在較小的范圍內(nèi)，認(rèn)為此方案對既有云淡大橋影響較小。

圖9 填土對云淡大橋的影響

由于該斷面橋梁和路基隸屬于兩個不同的項目，因此可能存在先后施工的問題，對三嶼特大橋的影響也明顯不同。施工不同先后順序下三嶼特大橋水平位移和豎向位移的變化計算結(jié)果如圖10～圖11(選取三嶼特大橋右橋墩為觀測點，X軸分別為水平位移和豎向位移，負(fù)值為水平位移向左，正值為水平位移向右豎向位移向下，Y軸代表高度，即三嶼特大橋橋面為0點，向下為正)所示。

從計算結(jié)果可以看出，先施工盤嶼路路基，后施工三嶼特大橋的情況下，三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.012cm和0.152cm；先施工三嶼特大橋，后施工盤嶼路路基情況下，三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.418cm和0.188cm。可以看出，水平位移后者是前者的34.8倍，豎向位移后者也比前者大了23.7%。因此，為避免盤嶼路后期施工路基對三嶼特大橋橋墩產(chǎn)生影響，應(yīng)必須先施工此段落路基，再施工三嶼特大橋。同時可以看出，在先施工盤嶼路路基情況下，三嶼特大橋所產(chǎn)生的水平位移和豎向位移較小，因此認(rèn)為此方案可行。

圖10 填土對三嶼特大橋的水平位移影響

圖11 填土對三嶼特大橋的豎向位移影響

3.2 FK0+945斷面

FK0+945斷面離既有堤壩較近，橋下盤嶼路軟基處理采用高壓旋噴樁和擠密砂樁的處理方式，處理長度為7～12m。處理后經(jīng)驗算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.346，如圖12所示，此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖12 FK0+945邊坡穩(wěn)定性

在盤嶼路路基填筑下，軟土地基發(fā)生沉降，對既有堤壩產(chǎn)生影響。計算結(jié)果如圖13～圖14(選取既有堤壩右側(cè)坡為觀測點，X軸分別為堤壩在路基影響下的水平位移和豎向位移，水平位移方向向左，豎向位移方向為垂直向上，Y軸代表高度，即堤壩頂面為0點，向下為正)所示，從計算結(jié)果可以看出，軟基無處理前，堤壩受填土影響最大水平位移和豎向位移分別為0.92cm和0.81cm，軟基處理后，堤壩最大水平和豎向位移分別為0.76cm和0.67cm，均有所減小，且均在容許范圍內(nèi)。因此，認(rèn)為該斷面此處理方案可行。

圖13 填土下堤壩的水平位移

圖14 填土下堤壩的豎向位移

3.3 FK1+007斷面

FK1+007斷面三嶼連接線為路基，填土高度達(dá)到10m，采用小直徑鉆孔灌注樁進(jìn)行軟基處理。兩側(cè)盤嶼路標(biāo)高較矮，左側(cè)填高3.2m，軟基處理方式采用高壓旋噴樁；右側(cè)5.5m，軟基處理方式采用擠密砂樁。處理后經(jīng)驗算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.090，如圖15所示，此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖15 FK1+007邊坡穩(wěn)定性

采用軟基處理后路基對堤壩影響的計算結(jié)果，如圖16～圖18所示，堤壩的水平位移和豎向位移最大值分別為0.54cm和0.84cm，方向分別為水平向右和垂直向上。既有堤壩位移在容許范圍內(nèi)，認(rèn)為此斷面處理方案可行。

圖17 FK0+885斷面豎向位移云圖(m)

圖18 填土下堤壩的位移

由于兩個項目施工順序不同，當(dāng)三嶼互通段落先施工完畢后再施工盤嶼路路基，容易使得盤嶼路路基沉降對已施工的三嶼互通造成影響。計算結(jié)果如圖19所示，圖中選取三嶼互通路基范圍內(nèi)的點進(jìn)行觀測，以路基左邊緣為水平位置零點，在三嶼互通路基施工后，由于盤嶼路基的填筑，使得三嶼路面產(chǎn)生明顯變形，由于右側(cè)盤嶼路路基填土較高，因此三嶼路面位移從左到右逐漸遞增，最大水平位移和豎向位移分別為5.01cm和4.68cm，左右路面水平位移差和豎向位移差分別為3.71cm和4.43cm，位移差較大容易導(dǎo)致路面開裂和不均勻沉降。因此，建議若條件允許，兩個項目的路基也應(yīng)同時進(jìn)行施工，避免后期施工路基對前期施工的路基路面產(chǎn)生不良影響。若無法同時施工，認(rèn)為后期施工的盤嶼路，應(yīng)盡量采用剛性樁進(jìn)行軟基處理，減少沉降。

3.4 FK1+068斷面

FK1+068斷面三嶼連接線為路基，填土高度達(dá)到8.3m，采用擠密砂樁進(jìn)行軟基處理。兩側(cè)盤嶼路標(biāo)高較矮，左側(cè)填高4.0m，右側(cè)6.2m，由于淤泥較薄，軟基處理方式采用高壓旋噴樁和擠密砂樁。處理后經(jīng)驗算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.938，如圖20所示，此斷面穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖20 FK1+068邊坡穩(wěn)定性

采用軟基處理后路基對堤壩影響的計算結(jié)果，如圖21所示，堤壩的水平位移和豎向位移最大值分別為0.22cm和0.78cm，方向分別為水平向右和垂直向上。既有堤壩位移在容許范圍內(nèi)，認(rèn)為此斷面處理方案可行。

圖21 填土下堤壩的位移

4 結(jié)語

本文通過采用二維巖土有限元軟件Geo-studio的模擬，對新建三嶼互通連接線橋梁、路基和兩側(cè)新建盤嶼路路基之間的相互影響，以及新建路基對既有云淡大橋和堤壩的影響進(jìn)行計算分析，結(jié)論如下：

(1)FK0+885、FK0+945、FK1+007 和 FK1+068 四個斷面在軟基處理后，路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.691、2.346、2.09和1.938，均滿足規(guī)范要求。

(2)FK0+885斷面盤嶼路路基在軟基處理后對既有云淡大橋產(chǎn)生的最大水平位移值為0.32cm，認(rèn)為方案可行，影響較小。

(3)FK0+885斷面中，先施工盤嶼路路基，后施工三嶼特大橋的情況下，三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.012cm和0.152cm；先施工三嶼特大橋，后施工盤嶼路路基情況下，三嶼特大橋橋墩最大水平位移和最大豎向位移分別為0.418cm和0.188cm。水平位移后者是前者的34.8倍，豎向位移后者也比前者大了23.7%。因此，為避免盤嶼路后期施工路基對三嶼特大橋橋墩產(chǎn)生影響，應(yīng)必須先施工路基，再施工三嶼特大橋。

(4)FK0+945、FK1+007和FK1+068三個斷面的路堤填土對既有堤壩產(chǎn)生的最大水平位移分別為0.76cm、0.54cm和0.22cm，最大豎向位移分別為0.67cm、0.84cm和0.78cm。認(rèn)為計算的位移值在安全范圍內(nèi)，方案可行。

(5)FK1+007斷面中，在三嶼互通段落先施工完畢后再施工盤嶼路路基情況下，連接線路面最大水平位移和豎向位移分別為5.01cm和4.68cm，左右路面水平位移差和豎向位移差分別為3.71cm和4.43cm，位移差較大容易導(dǎo)致路面開裂和不均勻沉降。建議若條件允許，兩個項目的路基也應(yīng)同時進(jìn)行施工，或盤嶼路后期施工采用剛性樁進(jìn)行軟基處理。