樁網(wǎng)混合路基降沉控制設(shè)計技術(shù)研究

高超

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京100195）

0 引言

在公路擴改建工程中，不可避免地會遇到新老路基差異降沉的問題。樁網(wǎng)混合路基具有降低新老路基差異降沉和增強路基載承性能的技術(shù)優(yōu)勢，在公路擴改建工程中應(yīng)用較多。但在大量的工程應(yīng)用中，對這種路基穩(wěn)定性控制技術(shù)的量化分析研究還較少，這不利于該技術(shù)的把握與應(yīng)用。本研究基于工程案例，以工程有限元數(shù)字模擬分析的方法，對樁網(wǎng)混合路基設(shè)計方案下的不同路基高度的差異降沉控制影響問題，開展專題分析研究，以期為公路路基降沉控制的工程應(yīng)用，提供研究和技術(shù)參考。

1 案例工程

案例是華東地區(qū)某高速路網(wǎng)的骨架線路，交通繁忙。在地區(qū)城鎮(zhèn)化進程加快的背景中，該線路的車流量逐年增加，經(jīng)常面臨著超載運行的交通狀態(tài)，為適應(yīng)地區(qū)交通發(fā)展的需要，擴改建勢在必行。該公路歷經(jīng)16年運行，原有的路基基本得到鞏固，因此新舊路基差異沉降控制，成為擴改建工程設(shè)計的技術(shù)重點。本次擴改建公路總長為309.2km，將原雙向四車道的高速路，采取“多處兩側(cè)拓寬，局部單側(cè)拓寬，樁網(wǎng)穩(wěn)固新舊基礎(chǔ)”的方法，擴改建成為雙向八車道的高速路。

2 樁網(wǎng)混合路基設(shè)計方案

混合路基沉降控制設(shè)計存在三種設(shè)計思路：其一，控制條件為正常應(yīng)用極限情況下的載承力，校核條件為正常應(yīng)用極限情況下的降沉量；其二，控制條件為正常應(yīng)用極限狀態(tài)下的降沉，校核條件為正常應(yīng)用極限狀態(tài)下的載承力；其三，同時控制載承力和降沉的設(shè)計方法。其中第1 種設(shè)計思路是以載承力為控制條件，它適合在樁體置換率高且剛度大、土質(zhì)好的條件下應(yīng)用?？墒钱斖列暂^差時，通常會發(fā)生載承力滿足但是降沉量不滿足的狀況，特別是當處理高速路軟弱土路基時，更容易發(fā)生差異降沉或降沉量不符合設(shè)計需求的現(xiàn)象。而第3 種設(shè)計思路，當載承力和降沉量滿足需求時，須針對置換率、樁間隔距離、樁長、樁徑等諸多設(shè)計參數(shù)求出最佳解，這種方法難度比較大并且費時[1]。

案例工程選用第2 種設(shè)計思路，更適用于處理高速路的軟弱土路基。為增強新老路基的凝聚力，采用階梯式方法開挖老路基邊坡，開挖的高度不低于0.8m，寬度不低于1m，并且布樁的起始為舊路基邊坡中間的臺階。將舊路基下樁長由15m 增加至18m，將舊路基下樁距由1.5m 改為1.2m（3D），并且位置由原位改為原路基表面，而新建路基下的樁長和樁距保持不變。

3 不同路基高度下的差異降沉控制影響分析

3.1 路基高度4m

當路基高度是4m 時，老路基和新路基之間有差異降沉，這是因為多年的通行，老路基土體形變基本穩(wěn)定，路基具有較好的完整性。新路基擴寬后，須在自身重量下完成初降沉、固結(jié)降沉和二次固結(jié)降沉的過程，所以新路基側(cè)向降沉量比較大。伴隨距離老路基中心線的加大，豎向移位逐步增加，新擴寬路基路面的垂向降沉變化量比較大，最大降沉發(fā)生在新路基路肩邊緣附近。改進方案后路基頂面最大降沉量是11.97mm，原有方案的是13.8mm，最大降沉量降低了13.26%。

伴隨到老路基中心距離的加大，地表降沉先加大后降低。地面最小降沉在道路中心線，最大降沉出現(xiàn)在距路基中心線17m 處，即擴寬路基中心下方的路基土降沉最大。原有方案最大降沉數(shù)值是12.89mm，改進方案中新路基下地面最大降沉量是9.21mm，老路基下是7.29mm，地面最大降沉降低了28.55%；改進方案的差異降沉量是2.12mm，原有方案最大差異降沉量是7.26mm[2]。

由路基表面的差異降沉可知，最小降沉出現(xiàn)在該路中心線的路面處，并且老路基路面的變化相對平坦。伴隨到路基中心距離的加大，降沉也隨之增大，新擴寬路面的垂向降沉變化率也比較大。整個曲線呈現(xiàn)勺狀，新路基路肩邊緣附近發(fā)生最大降沉。改進方案后最大降沉值是11.97mm，原有方案最大降沉值是15.2mm，路面最大降沉降低了21.25%；改進方案的最大差異降沉量是5.4mm，原有方案的是9.63mm，新老路基最大差異降沉降低了43.93%。

3.2 路基高度6m

當路基高度是6m 時，改進方案的路基頂面最大降沉量是17.89mm，原有方案路基頂面最大降沉量是23.03mm，最大降沉量降低了2.32%。伴隨到路基中心距離的加大，地表降沉先加大后降低。原有方案最大降沉量是18.85mm，選用改進方案之后，新路基下地面最大降沉量是11.21mm，老路基下是9.55mm，地面最大降沉降低了40.53%。選用改進方案后新老路基最大差異降沉量是4.51mm，原有方案最大差異降沉是11.99mm。

比較路基表面差異降沉可知，路基頂面降沉曲線呈勺狀，新路基路肩附近處發(fā)生最大沉降。改進方案最大數(shù)值降沉是17.87mm，原有方案最大降沉數(shù)值是24.93mm，路面最大降沉降低了28.32%。改進方案后最大均勻降沉量是9.48mm，原有方案最大差異降沉是17.2mm，新老路基最大差異降沉降低了44.83%[3]。

3.3 路基高度8m

當路基高度是8m 時，新老路基面有顯著的差異降沉。 選用改進方案后路基頂面最大降沉是23.07mm，原路基頂面最大降沉是35.23mm，降低了34.52%。

伴隨到路基中心距離的加大，地面降沉先加大后降低。并且最大沉降出現(xiàn)在擴寬路基中心下方的路基土處。原有方案最大降沉數(shù)值是22.66mm，選用改進方案之后，新路基下最大降沉量是12.34mm，老路基下是8.23mm，最大降沉量降低了45.54%。改進方案的最大降沉差是8.25mm，原有方案是12.24mm，地面最大降沉差降低了32.56%。

從對比路基表面差異降沉可知，路基頂面降沉曲線呈“～”形，最大降沉發(fā)生在新路基路肩邊附近。選用改進方案之后，最大降沉數(shù)值是23.01mm，而原有方案最大降沉數(shù)值是36.96mm，路面最大降沉降低了34.29%。 選用改進方案后最大差異降沉量是17.57mm，原有方案最大差異降沉差是25.41mm，新老路基最大差異降沉降低了30.85%。

3.4 路基高度10m

當路基高度是10m 時，新老路基表面有顯著的差異降沉。選用改進方案后路基頂表面最大降沉量是28.83mm，原路基頂面的是48.71mm，降低40.8%。

伴隨到路基中心距離的加大，地表降沉先加大后降低。原有方案最大降沉數(shù)值是33.48mm。選用改進方案后，新路基下最大降沉量是15.03mm，老路基下最大降沉量是10.86mm，最大地表降沉降低了18.45mm；改進方案最大差異降沉量是7.94mm，原有方案是24.29mm。

從比較路基表面的差異降沉可知，發(fā)現(xiàn)路基頂表面的降沉曲線為“～”，在新路基路肩邊附近發(fā)生最大降沉。原有方案最大降沉數(shù)值是50.78mm，選用改進方案之后，最大降沉數(shù)值是28.65mm，路面最大降沉降低了41.05%。 改進方案后最大差異降沉是18.3mm，原有方案最大差異降沉是35.48mm，新老路基最大差異降沉降低了48.28%。

可見，選用改進方案之后，擴寬的新路基對老路基降沉影響不大，并且新老路基的差異降沉顯著減小。這是因為對軟土路基實施樁網(wǎng)混合路基處理之后，樁網(wǎng)混合路基有效地降低了上部路基傳遞的載荷和老路基的附加應(yīng)力，通過樁網(wǎng)混合路基與路基土的相互作用增強了路基的載承力，進而降低了路基的表面降沉和差異降沉量。

比較不同路基填筑高度下的差異降沉可知，路基的填筑高度h 值越大，擴寬后路基的差異降沉量和表面降沉越大，并且擴寬后，最大降沉點逐步從路基表面移動到新路基的路肩。伴隨路基高度h 值從4m 增加為10m，路肩最大降沉量也從11.57mm 增加為28.65mm，新老路基差異降沉從 5mm 增加為18.35mm；附加降沉位于老路基中心線，伴隨路基填筑高度的增加而逐步增加。造成上述結(jié)果的起因為，當路基的填筑高度減小，擴寬路基自身重量載荷在路基內(nèi)引起的附加應(yīng)力也降低，因此老路基的附加降沉就相對越小。

4 結(jié)語

案例擴改建工程以降沉量為控制條件，開展了樁網(wǎng)混合路基改進設(shè)計。本研究在介紹樁網(wǎng)混合路基改進設(shè)計基礎(chǔ)上，借助FLAC3D 專業(yè)有限元模擬計算系統(tǒng)，分析了不同路基高度下的差異降沉控制影響。研究結(jié)果顯示，改進設(shè)計方案能更有效地控制新老路基間的差異降沉問題，對降低新舊路基沉降，提升路基載承力，有技術(shù)參考價值。