软土层厚度对加宽路堤沉降变形特征的影响分析

张建军，董 云

（1.江苏淮安交通勘察设计研究院有限公司；2.淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安223001）

软土层厚度对加宽路堤沉降变形特征的影响分析

张建军1，董 云2

（1.江苏淮安交通勘察设计研究院有限公司；2.淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安223001）

在S331大汕子隔堤段搭接路堤现场调查及室内外试验的基础上，采用plaxis建立有限元计算模型，分析了不同软土厚度下搭接路堤沉降变形特征。结果表明：对于填土高度一定的搭接路堤，当软土层小于一定厚度时，搭接路堤的差异沉降随软土层厚度的变化较小；随着软土层厚度增加，差异沉降随软土层厚度的增加而显著增加；当软土层大于一定厚度后，总体沉降及差异沉降均不再随软土层厚度的增加而显著增加。

软土地基；搭接路堤；差异沉降；固结

在公路的改扩建工程中，为最大限度地利用老路，节约工程投资，常用沿老路加宽的扩建形式，而在这种扩建形式中，特别是在东部软土地区，由于老路经历了长时间的行车荷载作用，路堤及地基的固结变形已经完成，而新填筑的路堤，如不能很好地控制其工后沉降，将引起新老路堤的差异沉降，导致路堤开裂，路面破坏。

为此，国内外很多学者开展了相关的研究，高巨田等认为搭接路堤的变形特征为老路堤中心最小、加宽路堤断面形心垂线位置最大[1]；傅珍等提出拓宽公路的差异沉降在新旧路基衔接处发生突变[2]；沈大高速公路改建加宽工程路堤加宽技术研究课题组提出了新加宽路堤工后沉降量不大于8cm的控制标准。其他还有大量的学者对软土地基上的公路改扩建问题进行过研究，研究内容主要围绕搭接路基不均匀沉降的计算及其防治[3-4]。

然而，在上述差异沉降的防治中并没有考虑造价的影响。本文结合依托工程，对不同软土层厚度条件下，搭接路堤的变形特征进行了模拟分析，旨在为搭接路堤的差异沉降控制提供依据和参考。

1 依托工程概况

S332改扩建工程大汕子隔堤段，沿线12km分布着2～5米的软土层，但由于大汕子隔堤南侧为高邮湖，北侧为宝应湖及与大汕子隔堤平行的金宝河，受地理条件的限制，最直接的改扩建方案为路堤沿原大汕子隔堤直接加宽填筑，初拟的道路横断面布置如图1所示。

图1 依托工程断面布置示意图

由于大汕子隔堤填筑已久，且长期经历行车荷载的作用，固结变形已基本完成，而北侧的平台比大汕子隔堤低约5米，加宽填筑路堤具有鲜明的搭接路堤的特征。

2 计算模型

2.1 模型尺寸

根据现场勘测和路线选线的结果，同时考虑消除边界效应对计算结果的影响，采用plaxis 8.5建立计算模型，确定模型尺寸为125×27m，其中，大汕子隔堤高度7m，其下为3m厚的淤泥质粘土及厚度17m的粘土(依据现场勘察断面之一确定)。水平方向两侧边界距大堤（路堤）坡脚均大于30m，以消除水平向边界效应。模型纵、横向采用同一比例，建立有限元模型如图2所示。

图2 有限元计算模型

在计算过程中，分别建立软土层厚度为0～7米，其他条件完全相同的计算模型，进行不同软土厚度时搭接路堤的沉降计算，分析软土层厚度对搭接路堤差异沉降的影响。

2.2 计算参数及工况

根据现场调查、地质钻探结果，并对大汕子隔堤、平台、地基以及路堤填料等进行随机取样，进行室内试验，得到模型的基本计算参数，如表1所示。

表1 模型计算参数一览表

其中，路堤填料选择5%石灰改良土。

计算工况从老路填筑开始，主要考虑老路工后沉降计算，在此基础上进行加宽路堤填筑施工、固结变形计算[5-6]。

3 计算结果分析

3.1 施工期间搭接路堤的沉降分析

以加宽后路堤坡脚所在的水平断面作为对比截面，得到不同软土厚度时，搭接路堤的垂直变形如图3所示。

（1）总体沉降的对比分析。搭接路堤的竖向总体变形具有三个特征：第一是路堤加宽后，老路堤会产生一定的隆起，且软土层厚度越大，隆起越大。第二是加宽填筑路堤后，加宽部分将会产生较大的沉降，与老路堤隆起形成显著的差异沉降，容易在新老路基结合部位产生拉裂。第三是软土地区加宽填筑路堤会引起加宽部分外侧坡脚产生较大的竖向隆起。软土厚度越大，坡脚向外侧的变形越大，说明软土层厚度对搭接路堤边坡坡脚变形的影响非常显著。软土层厚度对搭接路堤垂直沉降的影响曲线如图4所示。

图3 不同软土层厚度时的沉降对比曲线

图4 沉降随软土层厚度的变化曲线

从图4可以看出，当软土层厚度较小时，本例为2米以内时，沉降极值从107mm增加至144mm，搭接路堤的沉降随软土层厚度的变化比较小；当软土层厚度为2～5米时，搭接路堤的沉降从144mm增加至629mm，对应的软土层为对搭接路堤沉降影响显著段；当软土层厚度从5米增加至7米时，搭接路堤的沉降从629mm增加至674mm，沉降的增加率对于沉降的绝对值而言很小。

（2）差异沉降的对比分析。从差异沉降的角度分析，通过图3不同软土厚度搭接路堤沉降曲线的对比可以看出，加宽路堤的差异沉降具有如下变化趋势：

第一，当软土层厚度较小时，不管是边坡重叠部分，还是加宽填筑的部分，路堤水平方向相邻两点之间的斜率变化不大，即相邻两点间的差异沉降变化并不大，这一点与前述软土层厚度对加宽路堤总体沉降的影响一致，即当软土层厚度小于2米时，加宽路堤内部的差异沉降与总体沉降受软土层厚度变化的影响均不显著。

第二，当软土层厚度大于2米后，对于新老路堤搭接的边坡重叠部分，其斜率随软土层厚度的增加不断增加，但没有出现与总体沉降相似的临界深度。分析认为，出现该现象主要是由于新老搭接部位受老路堤固结变形已经完成的影响，老路基变形不大，但随软土层厚度的增加，搭接部位的沉降持续增加。

第三，从搭接部位与加宽路堤的差异沉降来看，当软土层厚度大于2米后，加宽部分路堤的沉降显著增加，与搭接部位形成了较大的差异沉降。而当软土层厚度大于5米以后，由于搭接部位的沉降在增加，而加宽部分的沉降增长变缓，如图4显示，搭接部位与加宽路堤之间的差异沉降不再随软土层厚度的增加而显著增加。分析认为，造成这种结果的原因主要是沉降在变形范围内的分布更趋于均衡，最大沉降发生的位置逐步向新老路堤结合部位发展，老路部分也出现了较大的沉降。

通过变化路堤填土高度进行计算及分析，可以得到与上述结论相似的临界厚度h1（本结果为2米）和h2（本结果为5米），由此可以推论，对于任一填土高度的搭接路堤，软土层厚度对搭接路堤总体沉降及差异沉降的的影响均服从上述规律，均存在上述两个临界厚度h1和h2。

3.2 搭接路堤长期沉降变形特征分析

固结完成后，可得到对比截面的沉降变形随软土厚度的的变化曲线如图5所示。

图5 长期沉降随软土层厚度的变化曲线

从图5可看出，对于软土地基上的搭接路堤，其长期沉降随软土层厚度的变化同样表现为当软土层厚度的小于某一值时，长期沉降随软土层厚度的增加而显著增加，本例中对应的该厚度仍为5米，而当软土厚度超过该范围时，搭接路堤的长期沉降不再显著增加。搭接路堤的差异沉降也表现出与施工期间相似的特征，即在一定的软土厚度范围内，差异沉降随软土层厚度增加而显著增加，而当软土层厚度小于一定范围（h1）或大于一定深度（h2）时，搭接路堤的差异沉降随软土层厚度的变化并不明显。

另外，从最大沉降的位置看，随着软土层厚度的增加，最大沉降的位置逐渐由加宽路堤的中心向新老路堤搭接部位发展。当软土层大于一定厚度h2时，最大沉降发生位置基本固定在新老路堤的搭接部位。

采用强度折减法计算得到加宽路堤失稳破坏安全系数随软土层的变化如图6所示。

图6 安全系数随软土层厚度的变化曲线

从图6可看出，当软土层厚度较小时，搭接路堤的安全系数与老路堤相差不大；当软土厚度在一定范围内增长时，搭接路堤的安全系数较老路堤有明显的降低；而当软土厚度大于一定值后，老路堤与搭接路堤的安全系数均趋于1。安全系数的计算结果说明，软土层厚度对搭接路堤的影响是分区间的。

3.3 搭接路堤差异沉降控制分析

根据搭接路堤施工期间及长期沉降变形特点，对于搭接路堤的沉降控制可着重从以下几方面考虑。

一是加宽部分的填筑会造成老路堤内部的局部隆起，容易在搭接部位形成较大的差异沉降，并在搭接部位开裂。二是从固结变形的时间上看，当软土层厚度达到一定值时，软土层厚度的变化并没有造成固结时间的较大变化，因此，对于软土层厚度不同时的差异沉降控制可以采用一定时间的预压，待到固结变形基本完成时，再进行路面结构的施工。三是从软土层厚度对搭接路堤沉降变形的影响看，不管是施工期还是长期变形，当软土层厚度大于一定数值时，总体沉降变形，以及差异沉降不再显著增加。

4 结语

通过对不同软土层厚度的搭接路堤沉降变形的计算，得到了搭接路堤沉降及控制的相关结论如下：

一是对于一定填土高度，软土层厚度对搭接路堤差异沉降变形的影响可以分为三个阶段：当软土层厚度小于h1时，搭接路堤的总体沉降及差异沉降均较小；随着软土层厚度从h1增加至h2时，沉降变形差异随软土层厚度增加显著增加；而当软土层厚度大于h2时，沉降变形不再随软土层厚度增加显著增加。

二是搭接路堤固结变形时间随软土层厚度的变化并非完全线性，软土层厚度增加造成固结时间增长逐渐变小。因此，当软土层厚度变化较大时，可以通过一定时间的自然固结或加载预压，有效减小搭接路堤的差异沉降。上述研究结论的取得是基于依托的实际情况，更大范围的应用尚需进一步研究论证。

[1]高巨田,贾志清.高速公路路基加宽引起的地基沉降特性研究[J].公路交通科技（应用技术版）,2009,（4）: 95-96.

[2]傅珍,王选仓,陈星光,等.拓宽路基差异沉降特性和影响因素[J].交通运输工程学报,2007,7(1):54-57.

[3]章定文,刘松玉.软土地基高速公路扩建中新老路堤相互作用数值分析[J].中国公路学报,2006,19(6):7-12.

[4]汪浩,黄晓明.软土地基上高速公路加宽的有限元分析[J].公路交通科技,2004，(8):21-24.

[5]唐晓松,郑颖人,邬爱清,等.应用PLAXIS有限元程序进行渗流作用下的边坡稳定性分析[J].长江科学院院报,2006,23(4):13-16.

[6]陈金锋,宋二祥,徐明.强度折减有限元法在昆明新机场高填方边坡稳定分析中的应用[J].岩土力学,2010, 32(增1):636-642.

（责任编辑 刘 红）

Analysis of the Impact of the Soft Soil Thickness on the Settlement Characteristic of Banding Embankment

ZHANG Jian-jun1，DONG Yun211，DONGG YYuunn22

(1.Jiangsu Huaian Traffic Survey and Design Institute;
2.Huaiying Institute of Technology,Huaian Jiangsu 223001,China)

To discover the affect of soft soil thickness on the differential settlement of banding embankment,the article carried out numerical simulation on the banding embankment built up on the different thickness of soft soil based on the field investigation and test results of rely project S331 with plaxis.The results show:to a given fill height,when the soft soil is less than a certain thickness,the differential settlement varied very small with the thickness for the overall settlement is not large,after that,it increased significantly with the soft soil thickness.And when the soft soil thickness is greater than another thickness,both the differential and overall settlement of banding embankment are no longer increased significantly.In addition,consolidation time and the growth of the thickness conform to logarithm model.

soft soil foundation;banding embankment;differential settlement;consolidation

TU447

：B

：1671-0142（2014）03-0062-04

张建军（1980-），男，江苏通州人，工程硕士在读，研究方向为公路与城市道路.