軟土地基上高速公路路基擴(kuò)建加寬中的關(guān)鍵問(wèn)題

劉科　曾琨

摘要 高速公路路基擴(kuò)建加寬過(guò)程中經(jīng)常面臨軟土地基，軟土地基較低的承載強(qiáng)度及抗變形能力極容易造成新、舊路基差異性沉降，對(duì)后續(xù)行車安全性造成嚴(yán)重威脅。針對(duì)軟土地基公路路基加寬沉降特性分析有助于優(yōu)化路基加固方案設(shè)計(jì)，確保公路使用性能。文章依托四川省內(nèi)某高速公路軟土路段路基加寬改造工程開(kāi)展ABAQUS有限元分析，重點(diǎn)對(duì)未加固、水泥攪拌樁復(fù)合地基加固的整體沉降響應(yīng)進(jìn)行有效評(píng)估，研究結(jié)果表明，未加固新舊路基加寬施工階段，新、舊路基存在施工荷載導(dǎo)致的不均勻沉降，且路基頂面最大豎向、水平位移分別存在于新、舊路基銜接處及新路基中心處；水泥攪拌樁加固下的新、舊路基變形得到有效加固，路基沉降差異隨樁長(zhǎng)增大而減小。

關(guān)鍵詞 公路路基；軟土地基；沉降特性；加寬改造

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0123-03

0 引言

隨著高速公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，汽車通行數(shù)量逐步增多，既有公路擴(kuò)建加寬工程建設(shè)成本相對(duì)較低，施工期間較短，能夠有效緩解交通壓力，提升交通服務(wù)水平。在高速公路路基加寬過(guò)程中經(jīng)常面臨軟土等復(fù)雜地基環(huán)境，這不僅容易增大新、舊路基不均勻沉降，后續(xù)產(chǎn)生的路基病害也會(huì)弱化新、舊加寬路基整體使用穩(wěn)定性。新、舊路基加寬沉降受到新舊路基施工填筑工藝、填筑材料及土層特性的影響，開(kāi)展新舊、路基加寬階段沉降特性的研究能夠?yàn)槁坊庸谭桨竷?yōu)化提供理論支撐，具有重要社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 高速公路軟土地基加固方法

1.1 加固樁法

水泥攪拌樁法為公路軟土地基加固常用技術(shù)，可分為粉噴成樁法和漿噴成樁法。粉噴成樁法一般適用于軟基深度不大于12 m的情況，漿噴成樁法普遍適用于軟基深度20 m以內(nèi)的軟土地基加固中。兩種方法都是以水泥作為主要固化劑，通過(guò)攪拌樁機(jī)將水泥噴入軟土中，促使水泥、軟土之間產(chǎn)生一系列水化反應(yīng)，提升復(fù)合地基承載強(qiáng)度和抗變形能力。水泥攪拌樁樁身強(qiáng)度、樁位布置、水泥摻加量等指標(biāo)需要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)確定，可與其余工程同步施工[1]。

1.2 排水固結(jié)法

軟土地基排水固結(jié)法包括荷載加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩部分。排水固結(jié)法主要在軟土地基內(nèi)部構(gòu)建滲水通道，通過(guò)路基上覆填土自重堆載預(yù)壓作用，快速排出軟土地基內(nèi)部水分，加快軟土地基的固結(jié)沉降。在堆載預(yù)壓過(guò)程中，超孔隙水壓力在排水通道排水過(guò)程中不斷減小，土體的有效應(yīng)力逐漸增大，軟土地基最終具備良好的沉降穩(wěn)定性和強(qiáng)度。排水固結(jié)法施工簡(jiǎn)潔，原位土體狀態(tài)擾動(dòng)幅度較小，施工成本低，但是施工周期相對(duì)較長(zhǎng)，加固范圍較小，排水效率受排水板質(zhì)量、軟土滲透系數(shù)、地下水位分布等影響較大，該法主要適用于工期較為寬松的地基處理中。

2 工程概況

四川省某高速公路穿越大范圍山區(qū)環(huán)境，設(shè)計(jì)里程50 km，沿線分布有大面積軟土地基，公路設(shè)計(jì)路面寬度24 m，雙向四車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)。隨著該公路交通量的不斷增大，超載、重載車輛通行量不斷增多，公路服務(wù)水平已難以滿足既有交通量需求。項(xiàng)目組擬對(duì)該公路進(jìn)行擴(kuò)建加寬為雙向八車道，試驗(yàn)段（K5+200～K6+200）主要為填方路基，路基高程變化較為平緩。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料表明，地基土層巖性如下所示：首層為素填土，松散、較濕，厚度1～1.5 m；第二層為淤泥質(zhì)黏土，含水量較大，呈軟塑狀，壓縮系數(shù)較大，層厚4～8 m；第三層為粉質(zhì)黏土，軟塑狀，壓縮性大，厚度5～8 m；第四層為砂土，中密，壓縮性較低，含水量較大，粉土含量較高，層厚6～10 m。現(xiàn)場(chǎng)主要采取舊路基兩側(cè)直接拼寬方案，即在舊路基外側(cè)開(kāi)挖臺(tái)階、緊貼邊坡填筑新路基，新、舊路基在試驗(yàn)路段的平均填筑高度為8 m，均采取軟土填筑材料，舊路基兩側(cè)各加寬9 m，加寬后路面總寬度達(dá)到了42 m?？紤]到舊路基運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，地基沉降變形已經(jīng)較為穩(wěn)定，軟土地基上新建路基和舊路基在施工荷載下極容易出現(xiàn)差異性沉降，引發(fā)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力不均衡導(dǎo)致的路基沉陷、開(kāi)裂等病害[2-3]。為有效確保路基擴(kuò)建加寬效果，項(xiàng)目采取水泥攪拌樁地基加固措施進(jìn)行沉降控制，強(qiáng)化路基的穩(wěn)定性和一體性。

3 有限元分析

3.1 材料參數(shù)

項(xiàng)目主要選取典型斷面K5+500構(gòu)建ABAQUS2d有限元模型，對(duì)路基沉降特性進(jìn)行平面分析。為避免模型尺寸造成的邊界效應(yīng)，二維地基模型橫斷面尺寸寬度80 m×高度20 m，路基填筑高度設(shè)計(jì)為8 m，擴(kuò)建后整體路基頂面寬度42 m，底面寬度66 m，路基邊坡坡度1∶1.5。路基施工填筑材料及軟土地基均采取摩爾－庫(kù)倫彈塑性模型，新、舊路基接觸面不出現(xiàn)滑移，完全連續(xù)，不考慮地下水位影響。土體材料、墊層、土工格柵、水泥攪拌樁、路面結(jié)構(gòu)材料均為均質(zhì)材料，采取線彈性模型模擬，材料參數(shù)如表1所示[4]。

3.2 荷載施加

項(xiàng)目主要對(duì)擴(kuò)建加寬路基進(jìn)行沉降特性的加固效果對(duì)比分析。為簡(jiǎn)化模型計(jì)算過(guò)程，新、舊路基同層填筑軟土性質(zhì)保持一致，采取二維平面模型分析時(shí)，模型單元均采取四邊形網(wǎng)格劃分，填筑路基則采取8節(jié)點(diǎn)四邊形單元CPEBR劃分，地基土則采取八節(jié)點(diǎn)四邊形單元CPE8RP劃分。計(jì)算模型水平邊界需要固定水平位移，底部邊界則需要固定雙向位移，頂部邊界不固定雙向位移。模型荷載施加需要反映出實(shí)際施工情況，模型構(gòu)建完成后需要先實(shí)現(xiàn)舊路基、地基的初始應(yīng)力平衡，后續(xù)激活新路基荷載單元，逐級(jí)施工新路基填筑荷載及路面荷載，新路基單次填筑高度2 m，共分4次施工結(jié)束。由于新、舊銜接路基整體表現(xiàn)為對(duì)稱，項(xiàng)目取模型一半進(jìn)行沉降特性分析，未加固模型構(gòu)建如圖1所示[5]。當(dāng)采取水泥攪拌樁加固軟土地基時(shí)，進(jìn)行路肩削坡及開(kāi)挖臺(tái)階拼接處理之后，需要在新路基填筑高度2 m處構(gòu)建相應(yīng)水泥攪拌樁模型，樁設(shè)計(jì)直徑0.4 m，初步設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)10 m，樁間距2.0 m，樁頂位置需要構(gòu)建40 cm厚度的碎石墊層，碎石墊層內(nèi)部距離攪拌樁頂20 cm位置設(shè)置土工格柵。其中，舊路基開(kāi)挖臺(tái)階高度為2 m，寬度為2 m。

4 路基變形分析

4.1 未加固

該高速公路試驗(yàn)路段的交通量不斷增大，導(dǎo)致公路段面需要擴(kuò)建加寬，舊路基在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的整體沉降基本已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而新路基填筑施工需要在舊路基上進(jìn)行削坡及臺(tái)階開(kāi)挖，這會(huì)導(dǎo)致新路基填土、后續(xù)行車荷載對(duì)舊路基產(chǎn)生一定的附加荷載，且不同位置的路基沉降差異性較大，不僅弱化了公路服務(wù)水平，而且易造成路基開(kāi)裂等病害。在上述計(jì)算模型基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)新路基不同填筑階段路基頂面關(guān)鍵位置的沉降監(jiān)測(cè)獲取圖2所示變形發(fā)展規(guī)律。結(jié)果表明，新、舊路基不同位置的沉降變形具有明顯不均勻性，新路基填土荷載作用下，新、舊路基沉降差最大值出現(xiàn)在新、舊路基拼接結(jié)合位置；此外，新路基填筑施工不同階段的路基沉降變形隨距中心線變化規(guī)律具有一致性，均表現(xiàn)為反彎狀，路基中心線位置處存在略微隆起（＜20 mm），新、舊路基銜接位置最大沉降變形隨填筑施工時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增大，新舊路基沉降差也隨著填筑高度及施工時(shí)間的增大而增大[6]；沉降最大位置逐漸由新路基向舊路基靠近；工后15年的沉降路基最大值達(dá)到了67 mm。

圖3為不同施工階段路基頂面關(guān)鍵位置的水平位移隨距離變化發(fā)展，結(jié)果表明，不同施工階段的新、舊路基銜接結(jié)合位置處存在不同向的水平位移，舊路基存在向左側(cè)的水平位移，新路基存在向右側(cè)的水平位移。該位移分區(qū)較為明顯地處于新舊路基銜接位置處，當(dāng)水平位移過(guò)大時(shí)，則會(huì)造成新舊路基橫向脫離，上部路面結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生明顯開(kāi)裂裂縫[7]；擴(kuò)建后邊坡外側(cè)水平位移隨著填筑高度的增大而增大，該處的水平位移最大，為20 mm。

圖3 路基頂面水平位移隨距離分布

4.2 水泥攪拌樁加固分析

路基填土特性、施工工藝及地基土層巖性對(duì)擴(kuò)建加寬路基沉降、水平位移影響較大，此外，加固方案設(shè)計(jì)參數(shù)不同也會(huì)具有不同加固效果，項(xiàng)目組采取水泥攪拌樁進(jìn)行路基加固需要合理確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)改變水泥攪拌樁樁長(zhǎng)10 m、11 m、12 m，構(gòu)建相應(yīng)計(jì)算模型，獲取工后15年路基頂部關(guān)鍵位置沉降及水平位移，如圖4所示。結(jié)果表明，路基表面沉降隨著樁長(zhǎng)的增大而不斷減小，樁長(zhǎng)在11～12 m變化時(shí)，沉降控制效果并不明顯，由此可見(jiàn)，樁長(zhǎng)存在臨界值，臨界樁長(zhǎng)下的路基加固較為經(jīng)濟(jì)；隨著樁長(zhǎng)的增大，路基水平位移最大值逐漸減小；10 m樁長(zhǎng)下路基工后15年的水平位移相對(duì)較大，但是不同樁長(zhǎng)下路基最大水平位移差異較小（＜3 mm）。結(jié)合實(shí)際建設(shè)環(huán)境及施工成本，項(xiàng)目組確定合理的水泥攪拌樁樁長(zhǎng)為10 m。

5 結(jié)語(yǔ)

軟土地基下新、舊路基擴(kuò)建加寬需要重點(diǎn)分析其不均勻沉降。影響公路加寬路基沉降因素相對(duì)較多，通過(guò)對(duì)其變形發(fā)展特性的研究有助于合理選取加固方案，確保公路路基使用質(zhì)量。該文依托四川省內(nèi)某高速公路軟土路段典型斷面開(kāi)展ABAQUS2d有限元變形特性分析，對(duì)水泥攪拌樁加固方案不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的加固效果進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論：路基頂面最大豎向、水平位移分別存在于新、舊路基銜接處及新路基中心處；路基沉降差異隨樁長(zhǎng)增大而減小，10 m樁長(zhǎng)為設(shè)計(jì)臨界值。希望該文所做研究能夠?yàn)轭愃乒こ探ㄔO(shè)提供一定參考。

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