拓寬道路差異沉降的新型處治方式

楊志偉，楊東興，江振華，申啟華

(1.中山市交通項(xiàng)目建設(shè)有限公司，廣東 中山 528403; 2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014; 3.東南大學(xué)智能運(yùn)輸研究中心，江蘇 南京 211189)

1 概述

廣東省中山市地處我國(guó)東南沿海，道路下臥層為深厚軟土。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，沙港公路沿線逐漸街道化、交通量不斷上升、重載車(chē)輛增加，經(jīng)過(guò)20多年車(chē)輛荷載作用，道路條件較差，不能滿足車(chē)輛通行的要求，因而對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)建改造。然而由于下部軟土的作用，新擴(kuò)建部分即使采用攪拌樁處理，仍會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，進(jìn)而在新老路交接處產(chǎn)生不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫，破壞道路的結(jié)構(gòu)、承載力下降，影響道路壽命。

軟土的存在往往會(huì)對(duì)其上部的構(gòu)造物產(chǎn)生不良的影響。針對(duì)軟土地基的處理，研究者大多采用砂墊層法、表層排水法、水泥攪拌技術(shù)、換填、爆破排淤等方法提高軟土地基的承載能力[1-5]。

針對(duì)軟土地基道路拓寬的不均勻沉降問(wèn)題，學(xué)者從不同的角度開(kāi)展了研究。柯勝旺[6]從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面做出解釋?zhuān)⑶艺J(rèn)為在對(duì)新舊路堤交接處采用樁板復(fù)合地基在控制差異沉降和側(cè)移等方面比水泥攪拌樁復(fù)合地基的效果要好。侯志峰[7]利用有限元計(jì)算軟件ANSYS15.0對(duì)新老路基沉降規(guī)律進(jìn)行研究，認(rèn)為鋪設(shè)土工格柵對(duì)控制新老路基的差異沉降效果明顯。朱紹勛[8]分析了天然地基、攪拌樁地基和樁板式復(fù)合地基情況下的新舊路基的差異沉降，進(jìn)而總結(jié)了不同地基處理下的效果以及相應(yīng)的沉降規(guī)律。劉權(quán)[9]認(rèn)為對(duì)于擴(kuò)寬路基，在老路中心產(chǎn)生的沉降最小，在新路肩邊緣靠里一點(diǎn)的沉降最大，并且雙側(cè)拓寬相對(duì)于單側(cè)拓寬產(chǎn)生的不均勻沉降要小。

本文針對(duì)軟土地基老路拓寬過(guò)程中即使對(duì)新建道路采用攪拌樁處理也可能出現(xiàn)的不均勻沉降的問(wèn)題，采用ABAQUS有限元模型分別模擬了無(wú)處理、12 m樁處理及12 m樁和雙層筋網(wǎng)夾水泥土處理下道路的沉降，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出了采用樁和雙層筋網(wǎng)夾水泥復(fù)合處治的新方式解決道路拓寬的不均勻沉降問(wèn)題。

2 工程簡(jiǎn)介及處治新方式

2.1 工程簡(jiǎn)介

以廣東省中山市沙港公路(沙朗至中山港大橋)為依托，工程項(xiàng)目所處地區(qū)下部主要有含水率高、滲透性差、壓縮性高的粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土等，厚度約38 m～54 m。老路為水泥混凝土路面，老路路基土經(jīng)過(guò)多年的荷載作用被壓實(shí)，剛度有所提高，但其具體模量很難準(zhǔn)確測(cè)定。有資料[10]指出，軟土路基經(jīng)過(guò)半年超載預(yù)壓后土體的彈性模量與路基原狀土彈性模量的比值最高可達(dá)2.5∶1，而中山沙港公路經(jīng)過(guò)20多年的荷載作用，老路土基的彈性模量勢(shì)必會(huì)更大。新老路土基之間的模量差，必然導(dǎo)致新老路拼接處產(chǎn)生較大的差異性沉降，盡管在新建道路的土基中采用攪拌樁軟土增強(qiáng)處理，為保障新老路面的平整性及預(yù)防可能出現(xiàn)的拼接處縱向開(kāi)裂，提出增設(shè)新老路基土交界處上部雙層筋網(wǎng)夾水泥土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 不均勻沉降處治新方式

針對(duì)上述所提出的問(wèn)題多采用攪拌樁進(jìn)行處理以減少新老路兩側(cè)的差異沉降量?，F(xiàn)在沙港公路的軟土地基中采用12 m的樁處理，但是實(shí)際情況下仍然會(huì)產(chǎn)生差異沉降的不良結(jié)果，因而提出改進(jìn)方法：在設(shè)置12 m攪拌樁的基礎(chǔ)上，同時(shí)在新老路土基交接處設(shè)置由兩層加筋板、兩層格柵與一層水泥土組成的兩層筋網(wǎng)夾水泥結(jié)構(gòu)。

具體的操作方法為：新路土基首先布設(shè)水泥攪拌樁，然后在老路板上部鋪設(shè)加筋板條，其上鋪設(shè)鋼塑格柵進(jìn)行固定，然后在新建道路以及距老路板邊緣2 m的范圍內(nèi)鋪設(shè)30 cm厚的水泥土，緊接著再布設(shè)第二層的加筋板條和第二層的鋼塑格柵，且第二層的加筋板條與第一層的加筋板條在沿道路方向交錯(cuò)布置。布置詳情見(jiàn)圖1。

上述的處治方式，本質(zhì)上是緩和新老路的不均勻沉降，使沉降過(guò)渡平緩，減少縱向裂縫，提高道路的平整度和使用年限。

3 老路拓寬路基不同處治方式的有限元建模及結(jié)構(gòu)參數(shù)

為驗(yàn)證新型處治方式的效果，現(xiàn)采用ABAQUS有限元軟件建立新老土基模量比為1∶1.3，1∶1.6，1∶1.9，1∶2.2和1∶2.5條件下的不同處理方式的模型。模型按實(shí)際工程路基尺寸1∶1建立：老路板寬14 m，厚0.26 m，老路基深3 m，在老路基下部為老路土基。拓寬后，路面寬度為42 m，面層厚度為0.18 m，基層厚度為0.54 m，墊層0.24 m，路基填土厚0.8 m，路基邊坡坡率為1∶1.5。并采取長(zhǎng)度為12 m、直徑為0.5 m的攪拌樁對(duì)新路土基進(jìn)行處治。為消除邊界條件的影響，取地基深度為40 m，寬度為65 m。由于是在老路板邊緣進(jìn)行雙側(cè)拓寬，故模型僅構(gòu)建半幅即可。

3.1 無(wú)處理時(shí)有限元模型與結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)上述內(nèi)容建立有限元模型，在建立加寬的路基模型上施加道路自重和車(chē)輛荷載，從而可計(jì)算出路基橫斷面各點(diǎn)處未經(jīng)處治的沉降量。具體模型如圖2所示。

面層、基層和底基層采用線彈性模型，路基和土基采用摩爾庫(kù)侖彈塑性模型。左右兩側(cè)設(shè)置x軸橫向位移約束和彎矩約束，底部做固定約束。設(shè)置車(chē)道的均布荷載為13 kPa。道路各層位的材料參數(shù)如表1所示。

表1 道路各層位的材料參數(shù)

3.2 攪拌樁處理下有限元模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

在無(wú)處理基礎(chǔ)上，對(duì)新路土基進(jìn)行水泥攪拌樁處理。邊界條件不變，土基仍舊采用摩爾庫(kù)侖彈塑性模型。在圖2的基礎(chǔ)上，在新路土基部分用12 m長(zhǎng)、樁間距為1.3 m、直徑為0.5 m攪拌樁處理。

根據(jù)實(shí)際工程，可以得到材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型中土基新增材料參數(shù)表

3.3 樁加筋網(wǎng)夾水泥土的有限元模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

在樁處治地基模型的基礎(chǔ)上，在老路板上方增加雙層筋網(wǎng)夾水泥土結(jié)構(gòu)層，如圖3所示。其中加筋板長(zhǎng)5 m，鋼塑格柵長(zhǎng)4 m土工格柵和水泥土長(zhǎng)16 m布滿主道，水泥土厚0.3 m。將加筋板按照剛度等效原理等效為沿道路方向延伸的板。土工格柵采用Truss(T2D2)單元類(lèi)型，加筋板采用Beam(B21)單元類(lèi)型進(jìn)行模擬，格柵和加筋板與土的接觸采用Embedded region約束來(lái)處理。格柵、加筋板水泥土的本構(gòu)關(guān)系為線彈性，土層材料采用Mohr-Coulomb模型。具體參數(shù)如表3所示。

表3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

4 不同處治方式模擬結(jié)果分析

根據(jù)第3節(jié)中不同處治方式有限元模型的建立，可得無(wú)處理和僅有12 m樁處理?xiàng)l件下的沉降曲線圖，如圖4所示。

圖4(a)為路表各點(diǎn)沉降的絕對(duì)值。從圖中可以看出最大沉降值出現(xiàn)的位置在道路邊緣且略偏內(nèi)側(cè)，這與劉權(quán)的結(jié)論相一致。并且隨著模量比的減小，在新老路交接處的沉降曲線的曲率越大，表明在該模量比下新老路交界處產(chǎn)生的沉降量及沉降差更大，有較大的變形趨勢(shì)。

圖4(b)為12 m樁處理下路表各點(diǎn)15 a后的沉降值。根據(jù)曲線變化趨勢(shì)可知：12 m樁處理對(duì)新老路土基模量比為1∶2.2時(shí)的處治效果最好。模量比不大于1∶2.2時(shí)，沉降變化趨勢(shì)同無(wú)處理的變化趨勢(shì)相同；而模量比大于1∶2.2時(shí)，沉降趨勢(shì)發(fā)生改變，擴(kuò)建道路部分有向上拱起的趨勢(shì)，模量比越大在道路邊緣的拱起量越大，且最大處位于新建道路邊緣。圖4(b)說(shuō)明即使采取12 m攪拌樁對(duì)新路地基進(jìn)行處理，在新老路拼接處仍然會(huì)發(fā)生差異性沉降。

圖5為在新老路土基模量比為1∶1.3，1∶1.6，1∶1.9，1∶2.2以及1∶2.5條件下，僅采用12 m樁處理、塑料板筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)和12 m樁共同處理以及鋼板筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)和12 m 樁共同處理不同工況下的有限元模擬出的沉降對(duì)比圖。

圖5(a)～圖5(c)表現(xiàn)了雖然新老路模量比有差異，處理方式不同，但是不同處理方式下沉降曲線的變化趨勢(shì)則相同，三條曲線基本上重合；從細(xì)微處來(lái)看，在新老路模量比為1∶1.3，1∶1.6和1∶1.9條件下，僅采用12 m 樁處理產(chǎn)生的沉降量要稍大于采取其他兩種方式處理的沉降量；將圖5(a)～圖5(c)整體進(jìn)行對(duì)比分析，可以看到隨著模量比的變小，沉降量由142 mm變?yōu)?21 mm，最終變?yōu)?07 mm。

從圖5(d),圖5(e)中可得：在新老路模量比為1∶2.2和新老路模量比為1∶2.5時(shí)，不同處治方式的沉降曲線有顯著差異。在單個(gè)圖中，僅采用12 m樁處理產(chǎn)生較大的沉降，而采用塑料板筋網(wǎng)+12 m樁的沉降曲線與鋼板筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)+12 m樁的沉降曲線大致相同，基本上重合在一起。說(shuō)明采用塑料板筋網(wǎng)+12 m樁的處理效果與鋼板筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)+12 m樁的處理效果大體相同。

圖5(e)則表示了在新老路模量比為1∶2.5時(shí)，僅采用12 m的樁處理在新老路交接處仍會(huì)產(chǎn)生差異沉降，即在新老路拼接處僅采用12 m樁處理的沉降變化率要明顯大于采用樁加筋網(wǎng)夾水泥土結(jié)構(gòu)處理在該點(diǎn)的變化率，且采用鋼板筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)與采用塑料板筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)的效果大致相同。采用樁和筋網(wǎng)夾水泥土結(jié)構(gòu)能夠有效緩解不均勻沉降問(wèn)題，且筋網(wǎng)選擇鋼筋還是塑料條板的差異不大。

5 監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

對(duì)中山市沙港公路二標(biāo)段進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，得到不同處理方式下路面下13 m的沉降曲線。詳細(xì)沉降曲線圖如圖6所示。

圖6(a)中由于老路板經(jīng)過(guò)多年的沉降與車(chē)輛荷載的作用，該處的沉降量相對(duì)較少，并且在新建道路上布置有12 m的攪拌樁，同時(shí)在新老路交界處，采用鋼條板-鋼塑格柵-水泥土-鋼條板-土工格柵共同處理。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，路基下部13 m處老路板邊緣的沉降量相對(duì)來(lái)說(shuō)最少，并且目前沉降量已經(jīng)趨于穩(wěn)定。但是從總體上來(lái)看，在老路板中央和老路板邊緣之間的差異沉降差不多僅為5 mm，在新老路交界處的差異沉降量較小。采用此處理方法，能夠有效的改善新老路的不均勻沉降問(wèn)題。

圖6(b)為二標(biāo)塑料條板處理+12 m樁共同處理下的-13 m的沉降曲線。目前兩條沉降曲線都趨于平緩，并且二者大約相差15 mm，相對(duì)于二者之間的橫向間距，15 mm的沉降量并不大，即采用塑料條板+12 m樁處理后該路段在老路板邊緣和老路板中央的差異沉降較小。

如圖6(c)所示，當(dāng)新老路交接處僅采用12 m樁處理時(shí)，在距地面下13 m處測(cè)得老路板中央的沉降量要小于老路板邊緣。并且在老路板中央的沉降曲線有逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，而在老路板邊緣沉降還在不斷發(fā)展。

6 結(jié)論

在老路拓寬工程中，由于老路經(jīng)過(guò)多年沉降以及車(chē)輛荷載的作用，沉降趨于穩(wěn)定，模量增大。新老路土基設(shè)置不同的模量比，通過(guò)ABAQUS有限元軟件計(jì)算道路拓寬未處治時(shí)、僅采用12 m攪拌樁處理以及采用12 m樁和雙層筋網(wǎng)夾水泥土結(jié)構(gòu)下的沉降變化曲線，得到如下結(jié)論：

1)新老路土基模量比越小，道路表面各點(diǎn)的沉降數(shù)值越小、道路表面與老路中心相對(duì)沉降值越大、不均勻沉降量越大；最大沉降處于新建道路邊緣外側(cè)部位，且隨著模量的減小，最大沉降點(diǎn)向外側(cè)移動(dòng)。

2)采用12 m樁處理能夠降低沉降量，且新老路土基模量比為1∶2.2時(shí)采用12 m的攪拌樁能夠較好的處理不均勻沉降問(wèn)題。

3)在采用水泥攪拌樁以及雙層筋網(wǎng)夾水泥土復(fù)合地基方式處理時(shí)，二者效果相似。由于鋼板筋網(wǎng)易于腐蝕，在工程中更傾向于選擇塑料板筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)。