高速公路软土地基拼宽方案及沉降分析研究

姜在田 方 磊

(1.中设设计集团股份有限公司 南京 210014； 2.东南大学交通学院 南京 210096)

目前高速公路改扩建工程日趋增多，在我国东部沿海软土发育地区，由于软土的特殊工程性质，需要对软土地基进行处理，满足路基稳定和沉降的相关要求。由于原路基已通车多年且保持稳定，表明原路基的地基处理方案能够满足路基稳定的要求，同时拼宽路基考虑新旧路基拼接的差异沉降，其软土地基处理的强度一般情况下均超过原有路基的处理强度，故拼宽路基稳定性一般情况下不存在问题，拼宽路基的处理方案主要由新旧路基的差异沉降决定。

新旧路基拼宽施工完成后，其软土地基的固结程度仍然存在差异，在荷载的作用下，新旧路基会产生较大的差异沉降，严重时会造成路面结构开裂、塌陷，影响通行安全和使用年限，增加了维护成本。《高速公路改扩建设计细则》中明确拼宽部分路基工后沉降应满足桥头处不大于5 cm 、通道及涵洞处不大于10 cm 、其他一般路段不大于15 cm 的要求。同时差异沉降控制应满足拼宽路基的路拱横坡度增大值不大于0.5% 、相邻路段差异沉降引起的纵坡变化不大于0.4% 的要求[1]。新旧路基拼接的差异沉降控制是高速公路改扩建工程中的一个难点。

1 软土地基拼宽方案的经济性分析

高速公路软土地基常采用水泥搅拌桩、预制管桩、高压旋喷桩、CFG桩等方法进行处理。

水泥搅拌桩用于处理一般软土地基，而预制管桩用于沉降控制比较严格的软土路段，高压旋喷桩用于净空受限的软土路段，CFG桩一般用于十字板抗剪强度不小于20 kPa的软土地基。水泥搅拌桩和预制管桩在高速公路建设中应用更加广泛，故本文主要研究水泥搅拌桩和预制管桩这2种桩型对新旧路基差异沉降控制的影响。

拼宽路基地基处理的桩长可根据软土的埋深和厚度确定，而桩间距成为影响工程造价和处理效果的关键因素。按4车道高速公路拓宽为8车道高速公路，单侧横向拼宽宽度为7.5 m，纵向长度1 000 m考虑，采用不同的桩间距设计方案，其所需的工程造价见表1、表2。

表1 水泥搅拌桩工程造价对比表

表2 PTC管桩工程造价表

由表1、表2可见，水泥搅拌桩桩间距从1.5 m调整至1.2 m，工程造价增加60%；PTC管桩桩间距从3.5 m调整至2.0 m，工程造价增加161.8%。而桩间距的调整又影响新旧路基之间的差异沉降，影响公路的行车安全，如何在工程造价和差异沉降之间寻找一个平衡点是工程设计人员关注的重大问题。本文采用软件模拟计算桩型及桩间距对差异沉降的影响，并根据模拟结果指导工程设计，在保证安全及沉降要求的基础上降低工程造价，以获得良好的经济与社会效益。

2 拼宽路基差异沉降数值模拟

对于拼宽路基的差异沉降，规范中未明确具体的计算方法[2]。对于沉降的计算一般采用单向的解析解(基于e-p曲线或压缩模量的分层总和法)，如目前应用比较广泛的理正沉降计算软件。对于复杂的沉降计算问题可采用二维 (基于弹塑性力学平面问题的有限元计算)或三维有限元的数值模拟。有限元可采用非线弹性、弹塑性、黏弹塑性等多种描述土体本构模型。还可考虑复杂的边界条件、水与骨架上应力的耦合效应，并能求出任一时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力的变化。目前常用的计算软件有ABAQUS、FLAC、ANSYS等。由于路基沉降可看成平面应变问题，因此，可以采用二维有限元进行沉降的数值模拟。

本文基于二维比奥固结理论[3]，利用FLAC软件[4]，考虑流固耦合，采用摩尔-库仑理想弹塑性模型进行数值模拟。现以某高速公路南郭庄桥桥头路基拼宽为例，模拟桩型、桩间距、路基填土高度对新旧路基差异沉降的影响。

2.1 工程概况

某高速南郭庄桥址处详细土层地质资料[5]见表2。考虑现场处地基中分布有2层淤泥质粉质黏土，地基处理拟采用水泥搅拌桩和PTC管桩进行处理，桩长取28 m。

2.2 数值建模

模型选取高速公路横断面，路基宽度26 m，路基拼宽宽度7.5 m，路基边坡坡度1∶1.5，由于路基具有几何对称性，故采用一半模型进行计算分析。FLAC路基模型见图1。

图1 FLAC路基模型

1) 力学边界条件。对底部边界节点的3个方向进行约束，相当于固定支座；对水平两侧的边界条件进行水平约束；路基厚度取单元厚度，对所有节点的路基厚度方向均进行约束，等价于平面应变分析。

2) 渗流边界条件。地下水位线为地表下2 m深度，水位线以上软基土体和路堤填土孔隙水压为0，深度为30 m时，边界为透水边界，其余为不透水边界。

3) 初始应力。地基上初始应力按自重应力考虑为有效应力，由计算得出。

4) 本构模型。原状路基采用摩尔-库仑本构模型，路堤填土采用弹性模型进行加载。路堤填土施工计算采用分阶段的弹塑性求解方法。

根据地质资料，分6个土层进行分析，摩尔-库仑模型主要计算参数见表3。

表3 数值模拟主要参数表

5) 单元结构。原状路基土和路堤填土均采用平面单元进行模拟。PTC管桩和水泥搅拌桩采用桩单元(pile)模拟，pile单元属于二维单元，可在网格单元间传递剪切力、法向力及弯矩，能够承受点荷载和分布荷载。

2.3 数值模拟结果

模拟计算水泥搅拌桩和PTC管桩2种地基处理方案，桩长28 m。水泥搅拌桩梅花形布置，桩间距分别取1.2，1.3，1.4，1.5 m；PTC管桩正方形布置，桩间距分别取2.0，2.5，3.0，3.5 m，数值计算的工况见表4。在填土高度为2，3，4，5，6，7 m情况下，水泥搅拌桩和PTC管桩处理拼宽部分沉降曲线见图2、图3。

表4 数值模拟计算工况表

图2 不同桩间距下拼宽部分地基沉降曲线图(28 m水泥搅拌桩)

图3 不同桩间距下拼宽部分地基沉降曲线图(28 m PTC管桩)

从图2、图3可以看出，随着填土高度的增加，拼宽路基地基沉降显著增加。由于拼宽部分新增的路基荷载重心向原路基外侧移动，所以拼宽路基地基的最大沉降位置向拼宽的路基中心方向移动，在拼宽路基中心位置下方达到最大沉降值。

3 桩间距对拼宽路基地基沉降的影响分析

水泥搅拌桩处理时，不同桩间距处理拼宽部分地基沉降变化不大, PTC管桩处理时，不同桩间距处理拼宽部分地基沉降变化较水泥搅拌桩处理时明显。不同填高时水泥搅拌桩与PTC管桩地基处理方案的路基最大差异沉降曲线图见图4。

图4 不同填高时路基最大差异沉降曲线图(桩长28 m)

PTC管桩处理后的复合地基沉降较原状土地基沉降减小40%左右，说明PTC管桩在加固软土地基方面效果明显。

从图4a)可以看出，采用水泥搅拌桩处理的软基，填土高度为7 m，桩间距从1.5 m调整为1.2 m时，地基最大沉降量由14.7 cm减小到13.6 cm，降低量为1.1 cm，降低7.5%。由此可见，对于水泥搅拌桩而言，减小桩间距对于减少差异沉降效果并不显著。这主要是因为水泥搅拌桩桩土应力较小，一般在3～6 MPa之间，减少水泥土桩的桩间距能够适当增加桩体承担荷载的能力，减少桩体承担的荷载沉降，但并不能明显减小土体部分承担的荷载和沉降。

从图4b)可以看出，采用PTC管桩处理的软基，填土高度为7 m桩间距由3.5 m变化到2.0 m时，地基最大沉降量由10.5 cm减小到6.7 cm，降低量为3.8 cm，降低36.2%。可见桩间距减小时，地基沉降量降低较为明显。由于管桩桩土应力比较大，一般在20～30 MPa之间，大部分荷载由管桩承担，土体本身承担的荷载和沉降均较小。减少管桩的桩间距，相当于增加了承担荷载管桩的数量，减少了单根桩体承担的荷载，从而降低桩体承担的荷载沉降。

从图4还可以看出，对于原道路中心处拼宽后的总沉降量，采用管桩处理明显优于采用水泥搅拌桩处理。采用预制管桩，数值模拟结果路中心处的总沉降量基本控制在10 mm左右，而采用水泥搅拌桩处理，数值模拟结果路中心处的总沉降量基本控制在40 mm左右，说明对于路中心沉降控制严格的路段，采用预制管桩处理是合适的。

4 现场沉降观测

本实例现场处填土高度为7 m，设计时采用预制管桩处理，正方形布置，桩间距3.0 m。考虑运营期工后沉降观测的安全问题，在原有道路中央分隔带处设置沉降观测点，从施工期开始进行沉降观测，直到沉降基本稳定后观测结束，沉降观测数据见表5。

表5 原有道路中心沉降观测表 mm

扩建工程施工期及工后1年沉降累计沉降5.8 mm，运营期观测时间约2年，运营期沉降为2.05 mm，合计总沉降7.85 mm。这与预制管桩处理数值模拟结果路中心处的沉降基本控制在10 mm左右保持一致。

5 结论

1) 随着路基高度的增加，拼宽路基地基差异沉降增加，地基表面的最大沉降位置向拼宽部分的路基中心方向移动，在拼宽路基中心位置下方达到最大沉降值。

2) 对于双层软土之间夹一定厚度硬层的地质模型来说，如果将软土层全部进行处理，对于拼宽路基的差异沉降，采用 PTC管桩处理效果优于水泥搅拌桩，采用 PTC管桩处理能够显著降低差异沉降值。

3) 采用水泥搅拌桩处理，填土高度为7 m，桩间距从1.5 m调整为1.2 m时，地基最大沉降量由14.7 cm减小到13.6 cm，降低量为1.1 cm，降低7.5%。采用减小桩间距来减少差异沉降效果并不显著。

4) 采用PTC预制管桩处理，填土高度为7 m，桩间距从3.5 m调整为2.0 m时，地基最大沉降量由10.5 cm减小到6.7 cm，降低量为3.8 cm，降低36.2%。可见桩间距减小时，地基差异沉降量降低较为明显。

5) 根据工程实际情况，选择合理的地基处理方案，在考虑满足沉降控制标准要求的前提下，应确定适当的桩间距，以降低工程造价。