公路拓寬路基沉降監(jiān)測(cè)方法及加固效果研究

覃武

摘要：軟土具有高壓縮性，對(duì)軟土地基高速公路進(jìn)行拓寬處理時(shí)，極易產(chǎn)生較大的差異沉降，從而導(dǎo)致路面裂縫和整體失穩(wěn)破壞?；诖耍恼乱劳心掣咚俟吠貙捖坊こ?，分別設(shè)置水泥攪拌樁和樁板結(jié)構(gòu)處理地基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段，分析不同施工階段的沉降位移；選用ADINA進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，分析天然工況、水泥攪拌樁工況和樁板結(jié)構(gòu)工況下，原路基和地基表面受力變形特性，得到如下結(jié)論：路基和路面基層填筑期，樁板結(jié)構(gòu)受自重影響，會(huì)導(dǎo)致較大的沉降，隨著填筑的持續(xù)進(jìn)行，其下方土體固結(jié)趨于穩(wěn)定，樁板結(jié)構(gòu)開始發(fā)揮作用；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果均表明，相較于水泥攪拌樁，樁板結(jié)構(gòu)能夠更好地控制拓寬路基工程中新舊路基的差異沉降和側(cè)向位移。本研究可為類似工程的地基處理提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：道路工程；水泥攪拌樁；樁板結(jié)構(gòu)；拓寬路基

中圖分類號(hào)：U416.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0071-04

0 引言

為滿足車輛快速通行和安全行駛的要求，拓寬老舊高速公路已經(jīng)成為時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)軟土廣泛分布，其工程特性較差，對(duì)軟土地基高速公路進(jìn)行拓寬時(shí)極易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，如路面裂縫、路基整體失穩(wěn)等。因此，如何控制高速公路拓寬工程中新舊路基的差異沉降至關(guān)重要，對(duì)此，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。李剛等[1]依托某高速公路改擴(kuò)建工程，運(yùn)用有限差分軟件分析了不同拓寬寬度、填方高度、彈性模量、壓縮模量下新舊路基的沉降變化規(guī)律。秦子柔等[2]使用泡沫混凝土作為拓寬路基的材料，使用FLAC3D軟件分析采用該方法時(shí)原路基的沉降變形規(guī)律，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性。徐全亮等[3]建立了高速公路軟土路基雙側(cè)拓寬的數(shù)值模型，對(duì)其進(jìn)行拓寬前后的仿真計(jì)算，對(duì)其新舊路基差異沉降、側(cè)向位移、內(nèi)部應(yīng)力等變化規(guī)律進(jìn)行分析。王晨竹[4]以山區(qū)某拓寬高速公路為對(duì)象，利用有限元軟件分析了拓寬后高速公路路面的差異沉降特性及其影響因素。劉光明[5]通過(guò)資料收集與整理，總結(jié)了軟土地基公路拓寬工程差異沉降特性及常規(guī)加固措施。林同立等[6]針對(duì)廣西某高速公路拓寬工程的實(shí)際情況，提出兩種施工處理方案，并用FLAC3D軟件進(jìn)行對(duì)比分析，選出最優(yōu)方案。上述研究大多基于有限元軟件進(jìn)行，缺少原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文基于上述研究，依托某高速公路拓寬路基工程，采用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬相結(jié)合的方法，分析不同工況和不同施工階段的新舊路基差異沉降，深入研究水泥攪拌樁和樁板結(jié)構(gòu)兩種軟土地基處治措施的加固效果，可為后續(xù)類似工程提供一定的參考。

1 路基沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

某高速公路建成于20世紀(jì)90年代末期，沿線多采用黏土和粉質(zhì)黏土進(jìn)行填筑，由于施工和運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)工作得當(dāng)，所以路基整體狀態(tài)良好，未發(fā)生大規(guī)模沉降。檢測(cè)其路面性能可知，其整體路面性能優(yōu)良。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量的不斷擴(kuò)增，該高速公路的各項(xiàng)性能已不能滿足要求，故需對(duì)對(duì)其路面進(jìn)行拓寬，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

拓寬工程路段為第四系松散巖層，主要是沖擊、洪積物，其地層巖性主要為黏性土?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段主要為粉質(zhì)黏土，中間夾雜厚度不一的淤泥質(zhì)土。上部粉質(zhì)黏土中存在第四系上層滯水，其埋深受季節(jié)影響較大。

1.2 加固效果試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)使用水泥攪拌樁對(duì)拓寬路基進(jìn)行處理，設(shè)置50 m長(zhǎng)的試驗(yàn)段，選用水泥攪拌樁和鋼筋混凝土承載力板對(duì)其路基進(jìn)行處理?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用沉降板監(jiān)測(cè)拓寬路基在填筑施工過(guò)程中的沉降，待上面層施工結(jié)束后，選用道釘監(jiān)測(cè)路面沉降，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。圖2（a）為路基、路面基層及中、下面層施工時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖，共設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)5位于水泥攪拌樁處理拓寬軟土路基試驗(yàn)段，其具體監(jiān)測(cè)位置分別為新舊路基交界處、拓寬路面中心線處以及拓寬路面路肩處。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)4和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6位于樁板結(jié)構(gòu)處理拓寬軟土路基試驗(yàn)段，是監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的對(duì)照組。沉降選用二等水準(zhǔn)觀測(cè)，路基填筑施工時(shí)，每?jī)蓪舆M(jìn)行一次觀測(cè)；路面結(jié)構(gòu)施工時(shí)，每鋪設(shè)一層進(jìn)行一次觀測(cè)。圖2（b）為路面面層施工時(shí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖，共3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段新舊路基交界處、拓寬路面中心線處和水泥攪拌樁試驗(yàn)段拓寬路面路肩處。

1.3 加固效果結(jié)果分析

圖3為拓寬路基填筑期以及路面基層填筑期監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線，由圖3（a）可知，在路基填筑期，選用水泥攪拌樁處理的拓寬段地基和選用樁板結(jié)構(gòu)處理的拓寬段地基，其不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律基本保持一致，隨著路基填筑高度的增大而逐漸增大。兩個(gè)試驗(yàn)段最大沉降處均為拓寬路面路肩處，水泥攪拌樁試驗(yàn)段最大沉降為7.0 mm，樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段最大沉降為7.9 mm。綜合分析3組相同位置的對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)可知，樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值均大于相同位置的水泥攪拌樁試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值，主要是因?yàn)闃栋褰Y(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土板自重較大，加快了軟土的固結(jié)。

由圖3（b）可知，在路面基層填筑期，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律基本保持一致，沉降值均隨著填筑高度的增大而增大，但相較于路基填筑期，其沉降值變化較小。兩個(gè)試驗(yàn)段最大沉降處均為拓寬路面路肩處，水泥攪拌樁試驗(yàn)段最大沉降為7.3 mm，樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段最大沉降為8.0 mm。綜合分析3組相同位置的對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)可知，樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值仍然大于相同位置的水泥攪拌樁試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值，但其相同位置的監(jiān)測(cè)沉降值之差較路基填筑期明顯減小，故可認(rèn)為在此階段，由鋼筋混凝土板自重引發(fā)的土體固結(jié)已基本完成，樁板結(jié)構(gòu)加固軟土路基的效果開始顯現(xiàn)。

圖4為中、下面層填筑期以及上面層填筑期監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線，由圖4（a）可知，在中、下面層填筑期，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律基本保持一致，沉降值均隨著填筑高度的增大而增大。兩個(gè)試驗(yàn)段均是拓寬路面路肩處的沉降值最大，其次為新舊路基交界處，拓寬路面中心線處的沉降值最小。水泥攪拌樁試驗(yàn)段最大沉降為9.2 mm，樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段最大沉降為8.3 mm。由圖4（a）可知，在中、下面層填筑后期，水泥攪拌樁試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值明顯增大，而樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值變化較為平穩(wěn)，故水泥攪拌樁試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值最終超過(guò)樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值。

由圖4（b）可知，在上面層填筑期，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律基本一致，沉降值均隨著填筑高度和觀測(cè)次數(shù)的增加而增大。其中，水泥攪拌樁試驗(yàn)段拓寬路面路肩處沉降值最大，其沉降值增加量也最大，而樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值變化相對(duì)較小。

2 地基加固效果研究

2.1 模型建立

根據(jù)依托工程實(shí)際情況，原路基寬26 m，之后在其兩側(cè)分別拓寬8 m，因其左右對(duì)稱，故取一半進(jìn)行建模，模型總寬度為50 m，路基高6 m，分5層填筑，路基邊坡斜率為1∶1.5；取地基上層土體厚10 m，下層土體厚20 m，其網(wǎng)格劃分如圖5所示，模型四周為法向約束，底部為全約束，路基臨空面不設(shè)約束。設(shè)置土體為摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，假設(shè)新舊路基交界處為完全連續(xù)接觸，使用八節(jié)點(diǎn)3-DSolid單元模擬。水泥攪拌樁模型和樁板結(jié)構(gòu)模型均與實(shí)際工程保持一致，選用樁長(zhǎng)12 m、樁間距為2.5 m的水泥攪拌樁和50 m×10 m×0.3 m的C30鋼筋混凝土板；選用線彈性模型，設(shè)置樁周、樁底與地基土的摩擦系數(shù)為0.3；為使樁板結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，選用tie約束進(jìn)行連接；其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

2.2 結(jié)果分析

圖6為拓寬路基施工結(jié)束后，各個(gè)模型原路基表面距離路基中心線不同位置處的附加沉降以及側(cè)向位移。3種工況下原路面表面附加沉降和側(cè)向位移變化規(guī)律基本保持一致，遠(yuǎn)離路基中心線處的沉降量和側(cè)向位移值相對(duì)較大，臨近處相對(duì)較小。對(duì)比3種工況可知，天然地基的沉降值和側(cè)向位移最大；水泥攪拌樁處理后，兩項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)值有所降低，其最大值相較于天然狀態(tài)分別降低了50.17%和81.65%；而樁板結(jié)構(gòu)處理后，原路基的沉降值和側(cè)向位移有明顯減小，其最大值相較于天然狀態(tài)分別降低了92.59%和85.86%。

圖7為拓寬路基施工完成后，各個(gè)模型地基表面距離路基中心線不同位置處的附加沉降以及側(cè)向位移。其中，0～18 m段是從路基中心線至原路基坡腳，稱其為原路基段；18～30.25 m段是從原路基坡腳到拓寬路基坡腳處，稱其為新路基段；其余部分為非路基填筑段。樁板結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土板寬10 m，作用于距離路基中心線18～28 m處。由圖7（a）可知，原路基段地表附加沉降在3種工況下的變化規(guī)律基本一致，距離路基中心線越遠(yuǎn)，即距離拓寬路基段越近，其沉降值越大；水泥攪拌樁處理后，地基表面沉降值明顯降低；樁板結(jié)構(gòu)處理效果更佳。新路基段經(jīng)過(guò)水泥攪拌樁和樁板結(jié)構(gòu)處理后，其地表附加沉降明顯降低；受到鋼筋混凝土板自重的影響，樁板結(jié)構(gòu)工況下，新路基段地表附加沉降較水泥攪拌樁處治時(shí)大；非路基填筑段受影響較小。由圖7（b）可知，拓寬地基經(jīng)過(guò)水泥攪拌樁和樁板結(jié)構(gòu)處治后，其側(cè)向位移明顯減小且樁板結(jié)構(gòu)的處治效果更佳。

3 結(jié)論

本文依托某高速公路拓寬路基工程，監(jiān)測(cè)采用水泥攪拌樁和樁板結(jié)構(gòu)處理的拓寬路基的沉降，并分析3種拓寬路基工況變形特性，得到如下結(jié)論。

（1）路基和路面基層填筑期，樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段受鋼筋混凝土板自重的影響，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值較水泥攪拌樁試驗(yàn)段大；在中、下面層和上面層填筑期，樁板結(jié)構(gòu)下方土體因板自重影響固結(jié)基本穩(wěn)定，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值較水泥攪拌樁試驗(yàn)段小，樁板結(jié)構(gòu)開始發(fā)揮其處治效果。

（2）根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果可知，上述3種工況下，原路面表面附加沉降和側(cè)向位移變化規(guī)律基本保持一致，距離路基中心線越遠(yuǎn)的沉降量和側(cè)向位移值越大，臨近處相對(duì)較小；水泥攪拌樁和樁板結(jié)構(gòu)均能有效降低原路基表面附加沉降和側(cè)向位移，其中樁板結(jié)構(gòu)效果更佳。

（3）上述3種工況下地基表面的附加沉降和側(cè)向位移值主要與其所處位置有關(guān)；水泥攪拌樁和樁板結(jié)構(gòu)處理地基能有效控制差異沉降和側(cè)向變形；相較于水泥攪拌樁，樁板結(jié)構(gòu)能承受更多的荷載，處治效果更佳。

4 參考文獻(xiàn)

［1］李剛，郭艷玲.高速公路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降影響因素分析［J］.公路交通科技，2021，38（7）：22-28.

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