公路拓寬工程中沉降控制復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂振北 趙文明

摘 要：依據(jù)沉降控制設(shè)計(jì)理論，本文對(duì)公路的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行分析，結(jié)合其路面功能、結(jié)構(gòu)要求，提出公路拓寬工程中沉降控制復(fù)合地基的優(yōu)化方法。同時(shí)，以某公路拓寬工程為例，對(duì)其混凝土復(fù)合地基的差異化沉降進(jìn)行分析，驗(yàn)證本優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果顯示，混凝土樁長(zhǎng)為8 m，樁徑為0.5 m，摻入比為15%，面積置換率為8.9%，其復(fù)合地基的承受力可以達(dá)到150 kPa?？傊?，對(duì)公路拓寬工程中沉降控制復(fù)合地基參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高軟基公路拓寬工程的施工效果，并節(jié)約相應(yīng)的成本。

關(guān)鍵詞：公路拓寬;混凝土攪拌樁;沉降率控制;復(fù)合地基優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0092-04

Abstract： Based on the theory of settlement control design， this paper analyzed the relevant design specifications of highways， and combined its pavement function and structure requirements， and proposed an optimization method for settlement control of composite foundations in highway widening projects. At the same time， taking a highway widening project as an example， the differential settlement of its concrete composite foundation was analyzed to verify the accuracy of the optimization method. The simulation results show that the concrete pile length is 8 m， the pile diameter is 0.5 m， the mixing ratio is 15%， the area replacement rate is 8.9%， and the bearing capacity of the composite foundation can reach 150 kPa. In a word， the optimization design of the settlement control composite foundation parameters in the highway widening project can improve the construction effect of the soft highway widening project and save the corresponding cost.

Keywords： highway widening;concrete mixing pile;settlement rate control;composite foundation optimization

目前，我國(guó)很多路段的交通量趨于飽和，需要對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行拓寬，以滿足交通量增長(zhǎng)的需求。原有公路經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，存在沉降嚴(yán)重的問(wèn)題，在其邊坡進(jìn)行公路拓寬，會(huì)造成新舊路基的差異化沉降，增加路面開(kāi)裂等病害的發(fā)生率。如何有效控制新舊路基的差異沉降率，最大限度地降低拓寬對(duì)公路結(jié)構(gòu)和功能的影響，提高新舊路基銜接效果，是目前公路拓寬工程亟待解決的問(wèn)題。本文以軟土地基下的混凝土攪拌樁的復(fù)合地基處理為例，分析某公路拓寬工程的效果，旨為公路拓寬工程的施工提供理論支持。

1 沉降控制復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）要求，在公路拓寬工程中，復(fù)合地基設(shè)計(jì)要符合變形控制設(shè)計(jì)的原則，滿足公路的實(shí)際使用功能，保證公路現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。工程施工實(shí)踐顯示，復(fù)合地基可以有效減少軟土地基的路基沉降，縮小新舊路基之間的差異沉降?；炷翉?fù)合地基優(yōu)化的目的是將路基沉降控制在容許范圍內(nèi)，滿足相應(yīng)的承載力要求，合理地設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，提高公路拓寬的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

在軟土地基沉降控制中，變形控制理論以傳統(tǒng)的承載力控制理論為基礎(chǔ)，可以為施工單位和建設(shè)單位帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際施工過(guò)程中，采用復(fù)合地基處理方式，大多可以滿足地基的承載力需求。此時(shí)，公路結(jié)構(gòu)就成為沉降控制設(shè)計(jì)的主要影響因素。依據(jù)沉降控制理論，要預(yù)先分析沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，然后在滿足沉降要求的基礎(chǔ)上，提高復(fù)合地基的設(shè)計(jì)效率，節(jié)省施工的相關(guān)費(fèi)用，發(fā)揮公路的實(shí)用功能，保持原有的公路結(jié)構(gòu)。

2 軟基公路拓寬工程的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

公路沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行軟基工程拓寬的前提，也是有效控制新舊公路路基差異沉降的條件。新建公路路基固結(jié)程度不同，必然會(huì)產(chǎn)生差異沉降，但差異沉降需要小于路面的允許值，以保證公路的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]。

2.1 公路設(shè)計(jì)規(guī)范中的沉降控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）提出，在軟土地基上，原有公路的拓寬設(shè)計(jì)需要滿足以下條件：新舊路基拼接前，需要控制兩者之間的差異沉降，原有路基與拓寬路基之間的拱橫坡度小于0.5%，原有路基中心附加沉降小于30 mm，具體指標(biāo)如表1所示.

2.2 仿真分析沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 基本假定。公路拓寬工程假設(shè)如下：為了分析公路平面應(yīng)變問(wèn)題，可以對(duì)路堤進(jìn)行對(duì)稱性分析，取公路地基的一半土樣;路面層、補(bǔ)強(qiáng)調(diào)平層均采用混凝土材料中的非線性彈性計(jì)算模型，基層、路堤填土采用Mohr-Clumb材料的彈性計(jì)算模型;對(duì)公路差異沉降路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，忽視路堤的重力作用;土體、墊層、下臥層均被假設(shè)為各項(xiàng)均質(zhì)材料，且材料之間不發(fā)生位移，呈現(xiàn)連續(xù)性接觸;拓寬路堤接縫處在經(jīng)過(guò)后續(xù)處理后，與原有路堤構(gòu)成整體;邊界條件為約束左邊界水平方向位移，上邊界、右邊界位移自由，下邊界給定[3]。

2.2.2 相關(guān)材料的計(jì)算參數(shù)。Concrete材料的參數(shù)設(shè)定如表2所示，Mohr-Columb材料的計(jì)算參數(shù)如表3所示。

2.2.3 邊界約束條件。對(duì)左邊界的水平方向進(jìn)行位移約束，上邊界、右邊界位移自由。對(duì)于路堤底面處的邊界，并未對(duì)其進(jìn)行約束，因?yàn)槁坊鶗?huì)產(chǎn)生一定的沉降變形。路堤荷載會(huì)在路底面產(chǎn)生位移，所以要對(duì)路堤底面進(jìn)行沉降分布實(shí)測(cè)。本文選擇的路堤地面最大沉降值為5 cm，其依據(jù)為兩條：軟基公路拓寬工程要求其總沉降小于15 cm，為了實(shí)現(xiàn)沉降的雙重控制，將公路地面的沉降值設(shè)置<5 cm;《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）明確指出，原有路基中心附加沉降值<3 cm，而路堤自身的荷載對(duì)路底變形影響不大，所以計(jì)算時(shí)忽略重力作用，將公路地面的沉降值設(shè)置<5 cm。

2.2.4 混凝土路面計(jì)算結(jié)果分析。在路堤底面增加位移條件后，附加拉應(yīng)力、壓應(yīng)力的變化如圖1所示。

在路基差異沉降增加時(shí)，路面會(huì)產(chǎn)生明顯的附加拉應(yīng)力、壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得公路路面層處于受拉狀態(tài)，補(bǔ)強(qiáng)調(diào)平層上部受拉、下部受壓，且最大附加拉、壓應(yīng)力位于距路面5 m處，且主應(yīng)力方向與路面垂直。

路面附加拉應(yīng)力最大值位于距路中6～8 cm處，距新舊地面接縫處4 cm。在新拓寬的路面接縫位置2 cm處，也存在較大的附加拉應(yīng)力。

路面層頂部的距離變化如圖2所示。路面層底部的距離變化如圖3所示。路面補(bǔ)強(qiáng)調(diào)平層的距離變化如圖4所示。路面補(bǔ)強(qiáng)調(diào)平層頂部與施工后附加拉應(yīng)力之間的回歸關(guān)系如圖5所示。

2.2.5 計(jì)算結(jié)果。通過(guò)仿真分析可知，新舊公路施工后基層的橫向成正比，與路面最大附加拉應(yīng)力呈正相關(guān)，說(shuō)明沉降比越大，路面的受壓情況越明顯[4]。當(dāng)沉降比為0.5%時(shí)，附加拉應(yīng)力為0.67 MPa，超過(guò)路面結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定碎石層的極限抗拉強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致路面開(kāi)裂。綜合相關(guān)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、路面功能和結(jié)構(gòu)要求，可以對(duì)新舊公路橫向沉降比進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際變化小于0.45%，并以此作為軟基公路拓寬的差異沉降允許標(biāo)準(zhǔn)。

3 實(shí)際案例驗(yàn)證

依據(jù)上文研究的軟基公路拓寬工程的新舊路基差異沉降的容許標(biāo)準(zhǔn)，下面結(jié)合沉降控制設(shè)計(jì)理論，對(duì)差異沉降的混凝土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行優(yōu)化，并以某公路為例進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 公路概況

按照混凝土攪拌復(fù)合樁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，該公路的軟基層厚度為7 m，層頂填埋深度為1 m。原有軟基處理方式為塑料排水板+砂墊層，其參數(shù)為：行距等于1 m，厚度為50 cm。人們對(duì)軟土的特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，決定采用混凝土復(fù)合地基進(jìn)行處理。混凝土樁長(zhǎng)為8 m，樁徑為0.5 m，摻入比大于15%，樁距為1.0～1.6 m。

3.2 計(jì)算方法

對(duì)拓寬路基下面的軟土層進(jìn)行基變計(jì)算時(shí)，要考慮其荷載分布特點(diǎn)和新舊基土之間的影響，所以計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化其計(jì)算過(guò)程，可以通過(guò)仿真方法模擬各種復(fù)雜工程條件，將不規(guī)則的路堤進(jìn)行單位劃分[5]。通過(guò)仿真分析，人們可以了解軟土變形、軟土固結(jié)、應(yīng)力分布規(guī)律，更好地控制混凝土復(fù)合地基的沉降。

3.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

混凝土復(fù)合地基計(jì)算參數(shù)的設(shè)定依據(jù)《公路地基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）中的相關(guān)要求[6]，具體內(nèi)容如表4所示。

3.4 沉降計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算沉降結(jié)果，人們發(fā)現(xiàn)，拓寬路基軟土基層經(jīng)過(guò)混凝土攪拌樁加固后，沉降率顯著減少，最大沉降距離為6～8 cm。路基沉降主要以舊路堤坡腳為軸線向兩側(cè)減少，最大沉降發(fā)生在距離路面25 cm的路堤坡腳?；炷翑嚢铇堕g距由1.2增加到1.6 cm時(shí)，舊路面中心處附近的沉降為0.5～1.0 cm，具體情況如圖6所示。

通過(guò)上述分析可知，混凝土復(fù)合地基可以滿足路基拱橫向坡度變化小于0.45%的標(biāo)準(zhǔn)。但是，如何選擇樁間的距離是混凝土復(fù)合地基優(yōu)化的關(guān)鍵。由于該公路處于軟土層，而且混凝土摻入比固定，只有通過(guò)改變面積置換率，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)樁距的優(yōu)化，具體優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知，如果混凝土復(fù)合地基面積置換率過(guò)低，新舊路面差異沉降過(guò)大，超過(guò)差異沉降允許值，就會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷。如果混凝土復(fù)合地基面積置換率過(guò)高，就會(huì)造成路基沉降控制效果較差，增加施工成本。通過(guò)上述推算，結(jié)合差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，路基拱橫向坡度變化小于0.45%，混凝土復(fù)合地基面積置換率為8.9%，可以有效發(fā)揮混合地基與土體之間的協(xié)調(diào)作用，有效控制差異沉降率。

3.5 承載力驗(yàn)算

在混凝土復(fù)合地基樁體質(zhì)量可靠的情況下，混凝土樁長(zhǎng)為8 m，樁徑為0.5 m，摻入比為15%，面積置換率為8.9%，其復(fù)合地基的承受力可達(dá)到150 kPa，明顯大于本橫斷面的設(shè)計(jì)荷載140 kPa，其承載力符合相關(guān)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在軟基公路拓寬工程中，人們需要結(jié)合其施工特點(diǎn)和沉降控制理論，合理選擇拓基工程的相關(guān)參數(shù)，以提高技術(shù)的可靠性、工程的經(jīng)濟(jì)性。仿真算法可以綜合考慮新舊路基之間的關(guān)系和條件，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。研究結(jié)果顯示，路基拱橫向坡度變化小于0.45%，混凝土復(fù)合地基面積置換率為8.9%，可以有效發(fā)揮混合地基與土體之間的協(xié)調(diào)作用，有效控制差異沉降率。

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