高压旋喷桩连续墙应用于高速公路扩建工程软基处治的数值分析

孙晓立

(广东省南粤交通仁博高速公路管理中心,广州 510420）

1 引言

随着国民经济的迅速发展, 我国高速公路的建设十分迅猛, 通车里程已近2万Km。已经建成使用的高速公路中, 由于受建设时社会经济水平、技术水平和建设思想的制约, 有相当一部分已不能适应交通量增长和社会发展的要求, 不得不进行拓宽建设, 高速公路的改扩建工程将是我国本世纪初公路建设所面临的非常重要和必须解决的问题[1]。

加宽工程与普通高速公路的区别在于新老路堤的相互不利影响，新建公路中的问题可以在施工中加以解决，但扩建工程中加宽部分路堤作为边载形式引起既有道路产生的附加沉降和新老路基之间的不均匀沉降，只有在理论分析的基础上寻找经济、实用的工程加固措施，使新老路基成为一个良好的整体，以确保在新老路堤拼接过程中使新老路堤的不均匀沉降控制在可以接受的范围之内[2～4]。

本文首先以广东某高速公路软基路段为工程案例，通过数值分析软件PLAXIS分析软基在施工过程和工后的沉降，通过与实测结果进行对比验证数值模型的正确性。然后，假定对揭普高速公路进行加宽，分析在老路基边沿设置高压旋喷桩连续墙对减少扩建时边载对既有公路地基的影响以及相关参数分析。最后，通过理论分析成果评价该软基处理方法的有效性和工程应用前景。

2 工程案例及数值模型

某高速公路是广东“十五”期间的重点建设项目。该线路软土地基分布广泛,软土具有物理力学性质差,上覆硬壳层厚度薄(一般小于1.0 m)、强度低、孔隙比大、压缩性高的特点。软基处理采用堆载预压排水固结法,袋装砂井打设间距1.0 m,直径70 mm,梅花形布置,打设深度10m。各土层的物理力学性质指标如表1。

表1 路基各土层的计算参数

表2 路堤加载历时

图1 设置连续墙的软土路堤数值模型

该高速公路的路堤顶宽26m，路堤填筑高度为5.5m，坡度为1:1.5，路堤底部宽度为42.5m。该高速公路进行既有道路的两侧扩建，两边扩建宽度都为8.0m。道路加宽前首先对老路边坡进行削坡，将老路边坡的坡度由原来1:1.5变为1:0.5，然后进行加宽路堤的施工。路堤加宽后边坡的坡度为1:1.5。扩建工程路堤也采用排水固结法，路堤填土假定与原路堤填土物理力学性状相同，施工过程见表2。

由于路堤具有对称性，有限元计算中取路堤的一半建立有限元模型。有限元计算范围为：地面下深度26m，水平方向100m。地基和路堤土均采用理想弹塑性模型,各参数的具体取值见表1。边界条件:左边界为对称轴,竖直向自由,水平向约束,不排水;下边界为竖直向和水平向均固定,排水;右边界为竖直向自由,水平向固定,不排水;上边界为竖直向和水平向均自由,排水。

对砂井进行单元划分会给有限元计算带来较大的难度，本文采用Chai.J.C提出的等效竖向渗透系数法,将砂井地基等效转化成渗透系数较大的天然地基进行计算，等效竖向渗透系数Kve可见表1最后一列[5]。本文通过数值分析软件PLAXIS进行加宽工程的数值分析，采用板单元模拟高压旋喷桩连续墙，高压旋喷桩连续墙宽度为0.7m。假定连续墙为线弹性体，弹性模量为100MPa，泊松比为0.2,容重为10kN/m/m。高压旋喷桩连续墙位于离有限元模型中心线15.75米处（即削坡后的老路堤坡角）,搅拌桩和土体之间设置界面单元。扩建高速公路数值模型详见图1。该路堤施工采用薄层轮加法，本文提出的路堤施工过程尽可能模拟现场实际施工情况，具体施工过程见表2。

3 数值分析结果

3.1 数值模型结果的验证

为了验证数值模型和土体物理力学参数的正确性，本节将通过数值模型计算该高速公路施工完工时的沉降－时间曲线，并将理论计算结果与路堤施工完后的实测结果进行比较。路堤中心地面理论和实测沉降-时间曲线可见图2。由图2可知,本文的理论计算曲线与实测曲线较为接近，比较结果验证了数值模型的正确性，为后续扩建公路的理论分析奠定基础。

图2 路基中心的实测和计算竖向位移的比较

3.2 设置旋喷桩连续墙对扩建公路的影响分析

根据表2的加载过程进行数值模拟计算，图3为公路加宽后路堤顶部竖向位移横向分布曲线，表3为加宽工程中是否设置高压旋喷桩连续墙对老路横坡比变化率的影响。由图3和表3可知：

（1）公路加宽会导致老路路肩附近地基产生较大的附加沉降，随着离路肩距离的增大而减少，同时使得老路中心部分地基会产生向上的位移。随着工后时间不断增长，老路路肩附近的沉降继续增大，而老路中心部分向上的位移将减少。

（2）在老路坡角处设置高压旋喷桩连续墙可以减少新路堤加载对老路堤的影响，设置连续墙后，老路路肩附近地基的沉降较少，并且减缓了老路中心部分地基的上拱。而且扩建工程工后十年内老路地基的变形较少，这个现象说明设置连续墙可以较好的避免拓宽边载对老路基的影响。

图3 路堤顶部竖向位移横向分布

表3 老路横坡比变化率

（3）公路加宽会引起老路横坡比发生变化，从而导致路面发生开裂。加宽工程完成后，未设连续墙时, 加宽使得老路横坡比变化2.977%左右, 设置连续墙后横坡比变化为1.238%。工后十年后，未设高压旋喷桩连续墙时, 老路横坡比变化3.402%左右, 设置连续墙为0.973 %。因此，设置高压旋喷桩连续墙可以有效的减缓老路横坡比的变化。

4 结论

（1）本文以广东某高速公路软基路段为工程案例，利用数值分析软件PLAXIS建立软土路基的数值模型，各层土体和路堤采用莫尔－库仑本构模型，并将砂井地基等效为竖向渗透系数增大的地基。数值分析结果表明，该数值模型可以较好地预测软土地基的变形，验证了数值模型的可靠性，可为后续公路扩建的理论研究奠定基础。

（2）公路加宽会导致老路路肩附近地基产生较大的附加沉降，随着离路肩距离的增大而减少，同时使得老路中心部分地基会产生向上的位移，新老路堤的不均匀变形会导致路面产生病害。研究结果表明设置高压旋喷桩连续墙对新老路竖向沉降改善作用明显，而且可以减缓老路中心的上抬。

（3）未设高压旋喷桩连续墙时, 加宽使得老路横坡比变化2.98%左右, 设置高压旋喷桩连续墙后为1.24%。工后十年后，未设高压旋喷桩连续墙时, 老路横坡比变化3.40%左右, 设置高压旋喷桩连续墙为0.97%。因此，设置高压旋喷桩连续墙可以有效的减缓老路横坡比的变化。

[1]郭志边.软土地区高速公路拼接段路基的设计及沉降规律分析[D].南京:河海大学交通学院,1999.

[2]高翔,刘松玉，石名磊. 软土地基上高速公路路基扩建加宽中的关键问题[J].公路交通科技,2004,21(02):29-33.

[3]钱劲松,孙力彤.老路拓宽差异沉降计算的研究[J].兰州铁道学院学报(自然科学版),2003,22(04):91-94.

[4]蒋鑫,邱延峻.旧路拓宽全过程三维有限元分析[J].工程地质学报,2005,13(03):419-423.

[5]Chai J C, Shen S L,Miurra N, etal. A simple method of modeling PVD improved subsoil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2001, 127 (11):965-972.