軟土地基公路改擴(kuò)建數(shù)值模擬及施工技術(shù)研究

許利東 張關(guān)欽 張延杰 高買燕 朱貝貝 張家偉

云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 云南 昆明 650501

近年來，我國西南地區(qū)高速公路建設(shè)發(fā)展迅猛，公路建設(shè)日新月異。但在軟土地基公路改擴(kuò)建工程中，常面臨新舊路基沉降不均勻、地基沉陷、搭接處路面開裂等工程問題[1-5]。軟土地基及新舊路基搭接的處理技術(shù)直接影響著公路的使用壽命，也是確保既有線路改擴(kuò)建成功的關(guān)鍵[6]。日本和挪威對(duì)新舊路基結(jié)合方面的研究較多，而美國、印度等主要解決山區(qū)公路的路基拓寬問題[7]。

在國內(nèi)，軟土地基公路改擴(kuò)建研究在東南沿海地區(qū)較多，而在西南地區(qū)該方面研究甚少。為促進(jìn)該地區(qū)公路發(fā)展建設(shè)，本文對(duì)西南某高速公路在軟土地基上的改擴(kuò)建工程進(jìn)行研究。

1 工程概況及地質(zhì)特征

1.1 工程概況

西南地區(qū)某高速公路改擴(kuò)建工程路線全長5.261 km。按一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)改建，設(shè)計(jì)車速為60 km/h。路基寬度40 m，新路基寬約29 m，舊路基寬約11 m。該工段為路基擴(kuò)建段，路基全為填方，左側(cè)為舊二級(jí)路，右側(cè)分布農(nóng)田、水塘。本道路右側(cè)擴(kuò)建部分地基上部2.0～4.0 m主要為淤泥質(zhì)土、高液限土和有機(jī)質(zhì)土。軟土層強(qiáng)度低，地基承載力基本容許值為90 kPa，無法滿足地基承載力要求。

1.2 地質(zhì)及氣候特征

該高速公路沿線為同一個(gè)地貌單元，屬盆地沖積平原，地勢平緩，公路兩側(cè)分布村莊、農(nóng)田和水塘。項(xiàng)目區(qū)冬夏溫差小，晝夜溫差大，干濕季節(jié)分明。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 數(shù)值建模

為實(shí)現(xiàn)對(duì)該高速公路改擴(kuò)建工程施工的指導(dǎo)，采用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)該路堤進(jìn)行沉降計(jì)算[8]。路堤設(shè)計(jì)寬度40 m，左右兩側(cè)為擋土墻，路堤平均高6 m，舊路基寬度約11 m，新路基換填高度平均3 m，換填層上部鋪墊的路基層平均高3 m。該路堤下豎向取20 m，20 m以下硬塑黏土視為不可壓縮層。道路軸線方向及寬度方向各取60 m。土體單元本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型，根據(jù)地勘報(bào)告及回填試驗(yàn)報(bào)告，計(jì)算參數(shù)如表1所示。模型底部、兩側(cè)及路基擋土墻通過位移邊界條件約束。路堤沉降三維數(shù)值模型如圖1所示。固結(jié)沉降計(jì)算時(shí)間30個(gè)月，地下水位為路面下1.7 m。

表1 力學(xué)參數(shù)

圖1 路堤沉降三維數(shù)值模型

2.2 數(shù)值分析

2.2.1 固結(jié)沉降分析

經(jīng)過固結(jié)沉降計(jì)算，得到路基表面固結(jié)沉降曲線如圖2所示。30個(gè)月后固結(jié)沉降量最大值為22 cm，沉降量最大的位置不在道路中心處，而是向新路基側(cè)偏移。總體而言，舊路基固結(jié)沉降量小，新路基固結(jié)沉降量大。

圖2 路基表面固結(jié)沉降曲線

舊路基在長期荷載作用下，固結(jié)沉降量小；新路基下部清淤換填，上部分層鋪墊，雖經(jīng)過分層碾壓，但固結(jié)作用時(shí)間短，所以在后期路面荷載作用下，新路基沉降量大于舊路基，且沉降量最大值向新路基側(cè)偏移，不在道路中心線位置處。

2.2.2 水平應(yīng)力分析

從x方向的水平應(yīng)力云圖（圖3）可知，藍(lán)色到淺綠色表示水平方向壓應(yīng)力逐漸減小，黃色到紅色表示拉應(yīng)力逐漸增大。在路堤內(nèi)，從兩側(cè)向中央位置，拉應(yīng)力逐漸減小，但在舊路基內(nèi)，水平拉應(yīng)力較為明顯，存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，而新路基側(cè)水平拉應(yīng)力相對(duì)較小。路堤以下基土在水平方向主要為壓應(yīng)力，且由上往下逐漸增大。在新舊路基搭接處，拉應(yīng)力由下往上、由新路基向舊路基逐漸增大。從x方向水平應(yīng)力分布趨勢看，新舊路基水平拉應(yīng)力分布不均勻、不對(duì)稱，搭接處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

圖3 x方向水平應(yīng)力云圖

通過固結(jié)沉降和水平應(yīng)力分析，在后期道路使用過程中，新路基沉降量大，舊路基沉降量小，新舊路基沉降不均勻；水平拉應(yīng)力分布不均勻、不對(duì)稱，新舊路基搭接處應(yīng)力集中作用明顯，易造成路面結(jié)構(gòu)破壞、開裂、錯(cuò)臺(tái)等病害的發(fā)生。

3 控制技術(shù)方案及措施

3.1 軟土地基公路改擴(kuò)建技術(shù)

該高速公路在軟土地基上的改擴(kuò)建工程采用“清淤換填＋縱向臺(tái)階開挖＋土工格柵鋪墊”的施工關(guān)鍵技術(shù)，新舊路基結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新舊路基結(jié)構(gòu)

在軟土上拓寬路基，多采用軟土加固和換填等方式，以提高地基承載力，降低新舊路基拼接產(chǎn)生的不均勻沉降，保證路面結(jié)構(gòu)的完整性。該擴(kuò)建段里程較長，達(dá)5.2 km，軟土層厚2～4 m，清淤換填方式較為適用，且工程費(fèi)用低。經(jīng)綜合考慮，選擇清淤換填方式處理軟土地基，換填深度為2～4 m，采用片、碎石處置。

該路段利用現(xiàn)二級(jí)路進(jìn)行改擴(kuò)建，新舊路基搭接采用“縱向臺(tái)階開挖＋土工格柵鋪墊”方式進(jìn)行處理。在搭接處，舊路基開挖成寬度大于2 m、內(nèi)傾斜度大于4%的縱向臺(tái)階，以此使新舊路基能夠以相互嵌入的方式緊密結(jié)合，從而提高新舊路基的整體性。在路槽下鋪設(shè)3層50 kN雙向鋼塑土工格柵，利用土工格柵與土的摩擦作用、土對(duì)土工格柵的被動(dòng)阻抗作用、土工格柵孔眼對(duì)土體的鎖固作用及加筋補(bǔ)強(qiáng)作用，提高搭接處土體強(qiáng)度，抵抗水平拉應(yīng)力的應(yīng)力集中作用。該措施解決了水平拉應(yīng)力分布不均勻、不對(duì)稱和應(yīng)力集中等問題。

3.2 軟土地基處理工藝流程及控制措施

針對(duì)本道路右側(cè)擴(kuò)建部分地基上部2～4 m的淤泥質(zhì)軟土換填和新舊路基搭接施工，須采取相應(yīng)控制技術(shù)措施，來保證軟土地基公路改擴(kuò)建的施工質(zhì)量。

3.2.1 軟基處理工藝流程

施工準(zhǔn)備→測量放線→清淤清表→非適應(yīng)性土挖出→換填片石及砂礫料→分層夯實(shí)→質(zhì)量檢查

3.2.2 清淤換填技術(shù)控制措施

1）粒徑控制?；靥盍蠎?yīng)選用水穩(wěn)性或透水性好、風(fēng)化程度低、強(qiáng)度高的材料?；靥盍蠎?yīng)達(dá)到合理的粒徑和級(jí)配，確保壓實(shí)后無明顯的空隙、空洞。本工程清淤換填采用了不易風(fēng)化的片石，飽水抗壓強(qiáng)度大于15 MPa，最大粒徑不超過層厚的2/3。

2）松鋪厚度控制。填筑前用標(biāo)志桿確定松鋪厚度，并用細(xì)尼龍繩與標(biāo)志桿相連，控制松鋪厚度。填筑時(shí)根據(jù)標(biāo)志桿上標(biāo)識(shí)進(jìn)行回填，每層回填完后立即進(jìn)行攤鋪碾壓。

3）壓實(shí)度控制。采用振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)回填路段分層進(jìn)行壓實(shí)。施工中壓實(shí)質(zhì)量由壓實(shí)遍數(shù)、松鋪厚度、沉降差綜合控制，石料強(qiáng)度、粒徑應(yīng)符合有關(guān)的規(guī)定，并逐層壓實(shí)至回填層頂面石塊穩(wěn)定。

4）沉降控制。對(duì)新路基采取一年多的車輛碾壓措施，同時(shí)對(duì)路基的不同測點(diǎn)進(jìn)行高程沉降差觀測。

3.3 新老路基搭接工藝流程及控制措施

3.3.1 縱向臺(tái)階開挖施工技術(shù)

在新舊路基搭接處設(shè)置坡度向內(nèi)大于4%、寬度大于2 m的臺(tái)階?；靥顣r(shí)選用級(jí)配較好的礫類土、砂類土、碎石填筑，壓實(shí)度不小于96%。

3.3.2 土工格柵鋪墊施工技術(shù)

施工工藝流程：檢測、清理下承層→人工鋪設(shè)土工格柵→搭接、綁扎、固定→攤鋪上層路基土→碾壓→檢測。

路槽下鋪設(shè)3層50 kN雙向鋼塑土工格柵。安裝鋪設(shè)的土工格柵主要受力方向（縱向）應(yīng)垂直于路堤軸線。土工格柵鋪設(shè)應(yīng)平整、無皺折，不得卷曲扭結(jié)，盡量張緊，相鄰2幅格柵搭接0.2 m。鋪設(shè)完土工格柵后，人工鋪設(shè)上層填料，及時(shí)完成碾壓，避免長期暴曬。

4 工程實(shí)施效果

該高速公路在軟土地基上通過“清淤換填＋縱向臺(tái)階開挖＋土工格柵鋪墊”方式進(jìn)行改擴(kuò)建。施工后，經(jīng)一年多的沉降觀測和路面質(zhì)量檢查，搭接處尚未發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、路面開裂等病害，數(shù)值模擬計(jì)算的沉降值最大處幾乎無沉降變形，道路中心位置及右側(cè)未見裂縫發(fā)生，路面平整。經(jīng)數(shù)值模擬對(duì)軟土地基上公路改擴(kuò)建的分析指導(dǎo)，采取的施工關(guān)鍵技術(shù)措施有效地解決了新舊路基的沉降不均勻，水平拉應(yīng)力分布不均勻、不對(duì)稱，應(yīng)力集中等問題，施工效果良好。

5 結(jié)語

該工程應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)路堤進(jìn)行三維沉降變形模擬分析，并指導(dǎo)施工。在“清淤換填＋縱向臺(tái)階開挖＋土工格柵鋪墊”施工關(guān)鍵技術(shù)及其控制措施下，實(shí)現(xiàn)了良好的施工效果。研究得到以下結(jié)論：

1）數(shù)值計(jì)算得出新路基沉降量大于舊路基，且沉降量最大值向新路基側(cè)偏移；新舊路基水平拉應(yīng)力分布不均勻、不對(duì)稱，搭接處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

2）新路基側(cè)2～4 m的軟土地基采取清淤換填技術(shù)措施進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)值分析的沉降規(guī)律，通過對(duì)壓實(shí)度、粒徑、松鋪厚度等嚴(yán)格控制，及后期一年多車輛對(duì)新路基的碾壓措施，縮小了新舊路基間不均勻沉降的差異。

3）新舊路基搭接處采取“縱向臺(tái)階開挖＋土工格柵鋪墊”措施進(jìn)行施工，根據(jù)數(shù)值分析的水平應(yīng)力分布規(guī)律，通過縱向臺(tái)階開挖和土工格柵鋪墊，增強(qiáng)了路基搭接處的抗拉強(qiáng)度及路基的整體穩(wěn)定性，避免了搭接處路面病害的發(fā)生。

4）通過FLAC3D軟件對(duì)路堤的沉降計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土路基上公路改擴(kuò)建工程的施工指導(dǎo)，施工效果良好，可為類似工程提供借鑒依據(jù)。