水泥樁軟土路基路堤沉降分析

梁殷豪

摘要：軟土地基公路的沉降通常與水泥攪拌樁處理位置的不同有關(guān)。文章采用有限元方法對(duì)既有道路邊坡、既有路基、新建路堤下的樁基對(duì)路基和地基沉降特性的影響進(jìn)行模擬分析；以北方某高速路改擴(kuò)建工程為例，重點(diǎn)研究樁長、樁間距對(duì)路基及地基沉降的影響。研究結(jié)果表明，既有路基和新路堤下的樁基對(duì)沉降的影響比既有道路邊坡下的樁基更顯著。此外，在既有道路邊坡、既有路基和新建路堤下，隨著樁距的增加，路基和地基沉降也逐漸增加，當(dāng)樁間距從樁直徑的200%增加到400%時(shí)，邊坡的地基面最大沉降從1.76 cm增大到1.85 cm，原有路基和新路堤的地基面從1.44 cm增大到1.96 cm；隨著樁長的增加，路基的基礎(chǔ)沉降減少，當(dāng)樁長從4.7 m增加到9.7 m，舊路基表面工后最大沉降由-6.2 cm降低到-5.3 cm。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌樁；軟土路基；沉降分析

中圖分類號(hào)：U416；TU471? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）03-0080-04

0 引言

公路的重建和擴(kuò)建通常穿過軟土區(qū)域，軟土具有天然含水量和壓縮性高、承載力低的特點(diǎn)。軟土區(qū)域的公路經(jīng)過多年運(yùn)行，舊路基的物理性能和力學(xué)性能與新路基有很大差異，這種差異導(dǎo)致沉降的差別極大，給加寬的路基和路面帶來額外壓力［1］。因此，軟土基礎(chǔ)處理是目前工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。

基于厚軟土地基的特性，公路改擴(kuò)建工程常在路邊舊邊坡上鋪設(shè)加固樁，以減少拓寬路基的不均勻沉降。江振華等［2］在廣三高速路改擴(kuò)建工程研究中，比較新路基樁處理和新舊路基同時(shí)樁處理兩種樁處理方式加寬路基后的沉降特性，分析輕質(zhì)路堤填料對(duì)路基沉降的影響。秦立朝等［3］研究滬寧高速鎮(zhèn)江段擴(kuò)建段新老路基在粉噴樁（坡上和非坡上）作用下的變形對(duì)樁長、樁距和側(cè)摩阻力的影響。目前的研究一般將邊坡樁和新老路基樁聯(lián)合考慮，缺乏對(duì)邊坡樁和非邊坡樁的單獨(dú)研究。為填補(bǔ)前人研究空白，本文以北方高速路改擴(kuò)建工程為案例進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，比較水泥攪拌樁不同長度和距離下既有路面坡度、既有路基和新路堤情況下的沉降特性，研究結(jié)果可為今后的路基拓寬工程提供參考。

1 路基有限元模型

為模擬路基路面的整體結(jié)構(gòu)，本研究做以下假設(shè)：①路基和地基土為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性材料；②將材料屈服準(zhǔn)則與Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型相結(jié)合，形成本構(gòu)土模型；③路基與地基土的接觸是連續(xù)的，完全黏結(jié)；④新老路基在施工過程中不發(fā)生相對(duì)滑移；⑤基礎(chǔ)左右兩側(cè)受水平約束，基礎(chǔ)底部受水平和垂直約束；⑥只有基礎(chǔ)表面有排水；⑦路面荷載相當(dāng)于1m高填荷載，車輛荷載相當(dāng)于均勻分布的10 kPa荷載。

本案例的舊路基高3.47 m，寬28 m，填充物為粉質(zhì)黏土，具體工程設(shè)計(jì)如圖1所示。在兩側(cè)加寬7 m后，新路基高度為4.1 m，填充石土。新老路基的坡度比為1∶1 .5。地基寬度和深度分別為29.15 m和20 m，其中沙墊層為0.5 m，泥質(zhì)黏土層為7.2 m，黏土層為12.3 m。此外，基礎(chǔ)水位于基礎(chǔ)表面以下1 m處?？紤]到雙面加寬路基的對(duì)稱性，本工程采用一半的計(jì)算面積。根據(jù)《軟土地基上公路路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》中的要求，加筋土樁的直徑不應(yīng)小于0.5 m，相鄰樁之間的距離不應(yīng)大于樁直徑的4倍［4］。

2 路基沉降計(jì)算結(jié)果

2.1 不同樁距下沉降的對(duì)比分析

在既有道路邊坡下，設(shè)定樁長為10.7 m，在既有路基和新路堤下，設(shè)定樁長為7.2 m。為分析高速路改擴(kuò)建工程中水泥攪拌樁間距對(duì)新舊路基沉降的影響，本案例研究以下兩種情況：①既有道路邊坡下水泥攪拌樁的樁間距固定為樁徑的300%，既有路基下水泥攪拌樁和新建路堤下水泥攪拌樁的樁間距則不相同，分別為樁徑的200%和400%。②既有路基和新路堤下水泥攪拌樁的樁間距固定為樁徑的300%，對(duì)于分層填筑完工時(shí)對(duì)應(yīng)的路基沉降，只需考慮填土荷載的附加效應(yīng)，在施工后期則需考慮路面荷載和車輛荷載的附加效應(yīng)。

圖4為不同樁距下高速公路加寬路基表面分層沉降情況。當(dāng)新路基填滿1 m時(shí)，老路呈現(xiàn)抬升趨勢，老路中心處抬升幅度最大。當(dāng)填充高度增加到3 m時(shí)，舊路基面呈“反撓曲盆地”形狀，舊道路中心再次出現(xiàn)最大抬升。隨著與老路中心距離加大，老路面上各點(diǎn)抬升量逐漸減小，在距離老路肩1.3 m處抬升量為0。進(jìn)一步增加與老路中心的距離會(huì)導(dǎo)致高速公路路基逐漸沉降［5］，在舊路肩處達(dá)到最大沉降。舊路面最大沉降量隨既有路面樁間距的增大而增大，特別是在充填高度為3 m時(shí)，最大沉降值由0.33 cm增加到0.38 cm，因此高速路改擴(kuò)建工程中應(yīng)控制填充高度。同時(shí)，高速公路舊路面最大沉降量在既有路基和新路堤下也有相同趨勢，在3 m填筑高度處由0.27 cm增加到0.38 cm。隨著新路基荷載的增加，路基高度達(dá)到4.1 m，加寬路基的地表沉降逐漸形成“撓曲”形狀，其中舊道路中心沉降最大。隨著與舊路中心距離的不斷增加，加寬路基的地表沉降逐漸減小，表明高速路改擴(kuò)建工程不會(huì)對(duì)新路基產(chǎn)生影響。

圖5為高速路改擴(kuò)建工程中新路基完成后舊路基表面的沉降情況。完工時(shí)，舊路基中心在所有情況下均出現(xiàn)抬升現(xiàn)象，抬升沉降分界點(diǎn)發(fā)生在舊路肩內(nèi)側(cè)3 m處。越靠近分界點(diǎn)，抬升值越小，越靠近舊路肩，沉降值越大，在老路肩處沉降達(dá)到最大值1.16 cm，進(jìn)一步表明高速路改擴(kuò)建工程中舊路基沉降值較大，需要采用水泥注漿等方式防止舊路基發(fā)生較大沉降。樁間距與舊路地表沉降呈顯著正相關(guān)關(guān)系，樁間距越大，沉降增加越大。隨著原有路基和新路堤樁距的變化，高速公路舊路面的最大沉降從0.8 cm增加到1.16 cm，而在原有道路邊坡下，最大沉降從0.92 cm增加到0.98 cm。圖6為不同樁距下路基面相對(duì)于舊道路中心的工后差異沉降曲線，可以觀察到曲線呈“倒鐘形”分布；加寬路基越靠近新路肩，沉降差越大；新路肩處的沉降差最大。對(duì)比高速路改擴(kuò)建工程前原有路基和新建路堤下坡樁間距變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著樁間距的變化，拓寬路基面最大差分沉降量分別由1.36 cm提高至1.51 cm，由此判斷高速路改擴(kuò)建工程中需要加固舊路基面。

高速路改擴(kuò)建工程新路基竣工后，新老路基發(fā)生了不同程度的變形，如圖7所示。既有道路邊坡下或既有路基與新路堤下樁間距的變化并未影響地基沉降?？傮w上，老路基中心處地基呈抬升趨勢，靠近加寬側(cè)地基沉降。隆起沉降的拐點(diǎn)位于舊路基趾部內(nèi)側(cè)6 m處，高速路改擴(kuò)建過程中地基沉降在新舊路基交界處最大，在新路基腳處逐漸減小，隨后抬升。隨著樁間距從樁直徑的200%增大至400%，坡面的地基面最大沉降由1.76 cm增大到1.85 cm，原有路基和新路堤的地基面最大沉降由1.44 cm增大到1.96 cm。圖8為高速路改擴(kuò)建工程完工15年后，新舊路基下不同樁距相對(duì)于舊道路中心基礎(chǔ)的差異沉降曲線。隨著與老道路中心距離加大，新老路基下基礎(chǔ)的工后差異沉降量先增大后減小，最后呈逐漸增大的趨勢。最大差異沉降集中在靠近舊路坡腳處。同時(shí)，高速路改擴(kuò)建工程完工后地基表面最大差沉降分別從1.63 cm變化至1.84 cm。

2.2 不同樁長下沉降的對(duì)比分析

為綜合分析水泥攪拌樁長度對(duì)高速路改擴(kuò)建工程新舊路基沉降的影響，本案例采用以下2種條件 ：①泥質(zhì)黏土處邊坡樁長保持不變（7.2 m），既有路基和新路堤下基礎(chǔ)樁長變化（4.7 m、7.2 m、9.7 m）。②既有路基和新路堤下基礎(chǔ)樁長保持不變（7.2 m），泥質(zhì)黏土處邊坡樁長變化（4.7 m、7.2 m、9.7 m）。當(dāng)分層填筑完工后路基發(fā)生沉降時(shí)，只需考慮填土荷載的附加效應(yīng)，而對(duì)于工后路基沉降則需考慮路面荷載和車輛荷載的附加效應(yīng)。

圖9為既有路基和新路堤下樁長為4.7 m時(shí)加寬路基截面沉降變化情況。無論是改變邊坡樁長，還是改變原有路基和新路堤下的樁長，高速路改擴(kuò)建工程前后路基地表沉降的變化趨勢都一致。當(dāng)高速公路新路基填筑高度較低時(shí)，舊路面抬升；當(dāng)填筑荷載增加時(shí)，舊路面開始下沉，舊路肩處的沉降最大；停止新路基土荷載后，舊路中心沉降最大，新路肩沉降較小。

圖10為不同樁長下舊路基表面工后沉降情況。改變樁長（既有路基和新路堤下的邊坡樁）不影響舊路基表面拋物線沉降曲線形狀，但會(huì)改變舊路基施工后表面的最大沉降值，因此高速路改擴(kuò)建工程中應(yīng)注意樁長的具體位移。將原有路基和新路堤下的樁長從4.7 m提高到9.7 m，使舊路基表面工后最大沉降由-6.2 cm降低到-5.3 cm，可進(jìn)一步降低高速路改擴(kuò)建工程中路基的沉降。

3 結(jié)論

本文采用有限元數(shù)值模擬方法，分析某高速公路拓寬工程軟土基礎(chǔ)攪拌樁不同位置下路基和地基的沉降特征。根據(jù)研究結(jié)果，可以得出以下關(guān)鍵結(jié)論。

（1）高速路改擴(kuò)建工程中既有道路邊坡和既有路基與新路堤下的路基沉降均隨樁距增大而增大，因此高速路擴(kuò)建時(shí)，應(yīng)保證樁距不能過大。鑒于既有路基和新路堤下的樁距對(duì)沉降的影響大于既有路坡的影響，高速路改擴(kuò)建時(shí)，需著重關(guān)注既有路基和新路堤的沉降，可以通過水泥灌漿等方式減少其沉降。

（2）既有道路邊坡、既有路基和新路堤下路基的基礎(chǔ)沉降隨樁長增大而增大，但既有路基和新路堤下的樁長對(duì)沉降的影響比既有路坡下樁長對(duì)沉降的影響更為顯著，因此高速路改擴(kuò)建工程中要著重對(duì)既有路基和新路堤進(jìn)行處理。

4 參考文獻(xiàn)

［1］孫玉潔.軟土地區(qū)水泥土攪拌樁路基長期沉降特性的數(shù)值分析［J］.中國水運(yùn)（下半月），2022，22（7）：117-119.

［2］江振華，楊東興，楊志偉，等.拓寬深厚軟基區(qū)道路樁長優(yōu)化分析［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，29（3）：71-78.

［3］秦立朝，楊素娟，徐國元.泡沫混凝土的強(qiáng)度特性分析及在路堤填筑中的沉降數(shù)值模擬［J］.公路工程，2018，43（1）：281-285.

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