高速公路拓宽软土路基差异沉降分析理论与工程实践现状

2015-02-23范黎明

城市道桥与防洪 2015年5期

关键词：拓宽土工新旧

范黎明

（天津市市政工程设计研究院，天津市300051）

高速公路拓宽软土路基差异沉降分析理论与工程实践现状

范黎明

（天津市市政工程设计研究院，天津市300051）

软土地区高速公路路基拓宽改建工程中，由于新旧路基地基土的固结特性、应力路径及承载力等方面的显著差异性，加之新填路基对旧路基的附加荷载效应，新旧路基的沉降速率和累积沉降量会显著不同，往往造成新旧路基间较大的差异沉降，严重时会导致路基纵向拉裂等病害。就高速公路拓宽软土路基差异沉降分析理论研究进展和地基处理的实践经验现状进行归纳总结，分析既有研究成果中的不足之处，探讨进一步深化研究的方向和可能路径。

高速公路；拓宽；软土路基；差异沉降；理论分析；地基处理

0　引言

随着交通流量的迅速增长，拓宽改建早期建成的高速公路已成为必然需求。在软土地区高速路基拓宽改建时，新旧路基的地基土在固结特性、应力路径及承载力等方面具有显著差异性，加之新填路基对既有路基的附加荷载效应，新旧路基的沉降速率和累积沉降量会显著不同，路基处理措施不当往往造成新旧路基间较大的差异沉降，严重时会导致路基纵向拉裂、下沉过速、路基脱空、拓宽路基失稳和新路面整体性下降等病害，从而影响高速公路的正常运营。

自20世纪90年代末以来，我国广佛、沪杭甬、沈大、沪宁、津滨、唐津、京津塘等高速公路相继扩建加宽，因高速公路改扩建工程相关的理论分析和施工经验相对不足，高速软土路基拓宽过程中的上述病害问题时有发生，尤其是在早期实施的改扩建工程中广泛存在［1，2］。目前，就高速公路软土路基拓宽而言，设计与施工规范涉及较少［3］，如《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）对拓宽路基的规定较为简略［4］。本文拟就国内高速拓宽软土路基差异沉降理论分析研究进展及路基处理工程实践现状予以简述，分析既有研究成果中的不足之处，探讨进一步深化研究的可能路径。

1 理论及实践概述

1.1差异沉降理论分析研究现状

软土路基拓宽方面的理论分析主要考虑路基不同的应力水平、固结程度和地基处理方法等因素，计算加宽新路基地基处理前后的路基应力应变关系以及由其引起的老路基附加沉降、新旧路基差异沉降，分析新旧路基结合部在不同处治措施下的应力应变特性以及对减小新旧路基差异沉降的影响，并进行新旧路基的整体稳定性分析，预测通车后交通荷载作用下新旧路基的工后沉降及差异沉降［1］。理论分析主要有以下三类方法。

（1）数值计算方法

目前，设计施工中计算固结沉降的方法以分层总和法为主，在新旧路基差异沉降计算中，许多人也应用分层总和法做了很多有益的探讨，但应用分层总和法没有考虑新旧路基的相互影响，在新旧路基结合处的差异沉降计算值偏大，不能有效地反映差异沉降的横断面形状。并且，分层总和法只能计算出地基顶面的不均匀变形，却无法反映出路堤顶面的实际沉降横断面图，而后者才影响着路面结构的受力状态［5］。目前对应力和变形的计算主要采用有限元或有限差分法等数值计算方法。

数值计算方法中，鉴于三维模型建模非常复杂且耗用的计算资源相当多，目前所采用的计算模型基本上为平面模型，只有极少数文献采用了三维模型［5］。

对于路基土的本构模型，土力学中发展了很多，这些模型的参数不同，所得的计算结果也存在程度不同的差异。国内文献应用的本构模型类型比较多，主要以摩尔-库仑模型和邓肯-张模型为主，也有用修正剑桥模型及DP模型，但很少有关于不同本构模型计算结果差异比较方面的研究。

国内方面，周志刚［6］较早开展路基拓宽的研究，他运用弹性力学平面应变有限元法，分析了新路在自重作用下的沉降和应力分布规律，但其假设路基土体为完全弹性，且只考虑了路堤本身，不考虑路基沉降。汪浩［7］采用基于二维比奥（Biot）固结理论分析了新路堤作为附加荷载对老路堤和地基的影响，包括新旧路堤顶面产生的不均匀沉降、横坡比的改变和水平位移，新路堤的最大沉降和水平位移，拼接加宽对路堤和地基的应力状态的影响等。孙伟［8］对于高速公路拓宽工程，采用有限元方法分析了无处理情况下地基及填方路基的变形性状，以及模量变化对地基及填方路基沉降的影响，认为路基顶面最大沉降和横向差异沉降随软土层模量增大而减小，但未考虑固结问题。钱劲松［9］基于ANSYS运用DP模型对老路拓宽工程（无路基处理）进行了非线性平面应变有限元分析，分析了拓宽方式和拓宽宽度对差异沉降的影响，总结了差异沉降的规律，同时，还提出在相同地质条件下，采用双侧拓宽对路面结构比较有利。蒋鑫［5］对旧路拓宽进行了全过程的三维弹塑性有限元数值模拟，包括新路基的填筑，路面各结构层的铺筑及轮载最不利位置的施加等，重点分析了新旧路基不均匀沉降变形及应力分布的规律，认为均一路基自重作用下位移、应力等力学响应对称分布的状况因路基的拓宽而改变了，产生了向新拓宽路基部分集中的趋势。章定文［10，11］采用弹塑性有限元参数分析方法，探讨了在不同加宽路堤宽度、不同软土层厚度、不同的新旧路堤刚度比时，加宽路堤的填筑对老路变形规律的影响，其地基土和路堤填料均采用摩尔-库伦弹塑性本构模型。

陈磊［12］以既建高速公路地质资料为背景，采用Plaxis对高速公路拓宽工程中新、老路基采用不同处理方法的效果进行了数值模拟。模拟计算中对桩采用摩尔-库仑模型，对软土等采用修正剑桥模型。归纳起来，以上研究主要是采用有限元计算，在建模过程中考虑不同的加宽路堤厚度、软土层厚度、路基土模量变化、新旧路堤模量以及新旧路堤的台阶拼接等工况，固结计算大多采用一维固结理论，考虑的荷载主要有路堤、路面自重应力和均布的路面行车荷载，计算分析了新旧路基在施工过程和行车荷载作用下的沉降和应力分布规律，而且大多是结合路基处治措施，也有分析结合路面结构进行。

国内进一步的数值分析对铺设土工合成材料、砂垫层、粉喷桩、搅拌桩隔离墙、CFG桩等拓宽路基处治方法以及铺设土工格栅、挖台阶等新旧路堤拼接方法进行了研究，揭示了各自参数变化对路基内应力和变形的影响以及处治效果。冯战［13］研究采用土工网新旧路基结合部的差异沉降问题，研究新路基填土加筋后路基的沉降、水平应力、剪应力，并与实测数据进行比较。邢良［14］运用ANSYS软基就软土地基上旧路加宽结构在不同的情况（主要指不同的路基高度、不同软土层厚度、不同的加筋层数等）下，对土工合成材料减少新旧路基不均匀沉降的效果进行分析计算，讨论了软土地基上加宽路堤在不同情况下的变形特征和沉降规律。晏莉［15］针对老路拓宽时采用人工合成材料处治结合部的特点，将新旧路基、路面结构作为整体，从路基位移、路基顶面应力及土工合成材料拉力分布等方面，研究土工合成材料处治新旧路基结合部的作用机制，分析不同加筋层数和不同路基填土高度下的处治效果。吴瑞麟［16］采用ADⅠNA软件对土工格栅处理拓宽路堤不均匀变形的作用效果进行了分析和监测验证，认为土工格栅对减小路堤不均匀竖向附加变形、侧向位移以及基底不均匀附加应力有显著效果。章定文［17］采用二维弹塑性有限元法探讨了深层搅拌桩隔离墙处理扩建部分软基的适宜性和可行性，证明了设置隔离墙对新旧路竖向沉降改善作用明显，同时分析了隔离墙设置在不同位置时的作用效果。苏超［18］采用平面有限元法就隔离墙在工程中的作用进行数值模拟，给出了隔离墙两侧的受力分布及位移规律，表明隔离墙可有效地减少锡澄高速公路拼接后公路主线中心的附加沉降量。于国锋［19］用有限元方法对粉喷桩的处治效果进行了分析，认为随着粉喷桩作用深度和置换率的增加，路基的沉降量降低，不均匀沉降变形的程度减少。李茂英［20］采用有限元法对佛山-开平高速公路拓宽工程标准断面进行分析，采用不同参数计算出水泥土搅拌桩复合地基的新旧路基差异沉降。

（2）模型试验方法

模型试验方法以小比尺的物理模型试验达到再现原型特性的效果，通过模型研究拓宽路基的应力与位移场规律，可以与数值计算方法互为验证。国内外常用的模型试验是离心模型试验，模拟软土地基、新旧路基有加筋土工情况下的沉降和孔隙水压力情况，预测路基的变形和稳定性，评价处理效果。

国内有南京水利科学院、东南大学进行了离心模拟试验，研究了路基内的应力和以及孔隙水压力变化情况，并采用数值方法进行了模拟。

离心模型试验在保证原型与模型几何相似的前提下，可保持它们的力学特性相似，应力应变相同，破坏机理相同，变形相似［21，23］，但在模拟路堤软土路基误差时，如土的密度、均匀度、结构性等，模拟材料相似等难题没有很好解决，还需要不断发展改进。

（3）结合现场试验与监测的反分析法

通过现场试验段的监测来对拓宽路基应力应变进行研究以验证理论分析和计算结果，是一种实用和可靠的方法。监测的内容一般包括施工过程的新旧路基沉降、土压力、水平位移、孔隙水压力等内容。由于地基参数的可靠性影响到计算结果，室内试验结果不能在宏观上完整地反映特定地点和条件下的力学性质，而拓宽路基的变形控制又比较严格，因此，利用现场实测资料，采用参数反分析的方法来确定地基参数，以综合反映拓宽路基的基本特性，再利用有限元方法计算拓宽路基的应力应变特性和预测工后沉降，是一种较好的研究方法。

谢家全［24］利用实测资料，采用参数反分析法来修正试验参数后，将拼接荷载再逐级施加，使以后的沉降计算更加切合实际。章定文［3］也提到在锡澄高速公路与沪宁高速公路的拼接工程中，地基参数反分析的方法得到了较好的应用。综合而言，对新建高速公路沉降的反分析比较多，但对于拓宽路基，由于其加载过程特殊，引起的应力和应变规律相对复杂一些，目前在这方面的研究工作偏少。

1.2软土路基拓宽地基处理技术现状

拓宽路基的设计和施工关键是实现对差异沉降的合理有效控制，而稳定性要求一般容易满足，不是研究重点。拓宽软基一般都需要采取处治措施，才能达到控制新旧路基差异沉降的目的。拓宽软基的处治技术主要包括地基和结合部的处治。

（1）拓宽工程地基处理方法

嵇如龙等［25］根据软土地基上道路拓宽所出现的不均匀沉降和路面裂缝等病害，从软土地基沉降入手，并结合软土地基处理、新旧路基结合部位处理等进行分析研究，通过高、低路堤试验路段的实践，提出比较合理的路基拓宽处理方法。张涛［26］分析了公路加宽后新旧路基差异沉降给公路带来破坏的原因，提出了设计及施工措施的方法。国内沪杭高速公路（2001）拓宽工程（采用预应力管桩结合土工格栅）、南京绕城高速公路扩建工程（2003）（采用PCC现浇薄壁管桩结合土工格栅碎石垫层）以及沪宁高速公路扩建工程（2003）（采用预应力管桩和钢筋网）等都在部分路段采用了这种地基处理方法，并取得较好效果。河海大学（2003）也对沪宁高速公路拓宽工程中采用的桩网复合地基处理进行了现场试验研究。吉文志［27］结合淤泥河试验路段的详细设计施工情况及沈大路加宽技术研究课题组的研究成果，论述了塑料排水板法在沈大路软土路基段加宽工程中的适用性。另外，郭志边等［28］以锡澄-沪宁高速公路拼接段工程为例，结合工程造价、处理效果对公路路堤拼接的地基处理方法进行了分析探讨，认为折线定喷、小角度摆喷的分离式定喷墙方案能明显减少原有路堤的工后沉降，施工方便、快速、经济。

（2）新旧路基结合部处治技术

为了使加宽部分路堤和既有路堤紧密衔接形成整体，减少新旧路堤的不均匀沉降，防止路面开裂，加宽工程中经常采用土工合成材料处理。对土工合成材料在软土地基上加宽路基工程中的应力应变特性，杨茂等［29］成功地将土工合成材料应用于我国内蒙古5103线喇嘛湾—大饭铺段公路改建中，解决了路基下沉和新旧路基土体结合处路面反射裂缝等公路病害问题。李锁平等［30］将土工格栅砂砾垫层用于软基上既有道路改造工程，认为土工格栅砂砾垫层能够有效地加强新填路基与既有路基的整体性，提高地基的承载力，解决路基的不均匀沉降。何通海［31］针对高速公路改扩建工程的特点，对软土地基段新旧路基间的衔接技术特别是土工合成材料的应用进行了分析和探讨，并提出了相关的设计方案和施工工艺。冯光乐等［32］采用4种离心模型试验方案，对不同布置方式、不同压实度情况下的土工合成材料处理桥头过渡段路基的沉降变形进行了研究，得出土工合成材料处理的主要作用是使过渡段路基台阶型沉降转化为沉降坡差，而不是降低沉降至某一值，并且得出上部密长的半断面布置为最优布置的结论。汪浩［7］通过离心模型试验旧路堤填筑、有无路堤加筋的拼接加宽和极限破坏4种情况，量测加宽过程中不均匀沉降和孔隙水压的发展以探求新旧路堤的相互影响，对比分析有无路堤加筋加宽的效果，量测加筋路堤中筋材的拉应变分布，并对极限状态下加宽路堤的破坏方式和位置进探讨，辅以试验段工程，验证和修正有限元分析的结果。孟庆山等［33］针对高速公路工程高填方路段新旧路堤拼接问题，利用离心模型试验手段，进行提高填料压实度灰改性措施下拼接路堤协调变形试验研究，结果表明：拼接路堤压实度提高能效减小路堤本身变形，但对差异沉降的控制效果不大；对填料进行石灰改性后，可减小路堤本身的变形，还能减小路面不同部位之间的差异沉降。

2　目前研究存在的不足

软土地区高速公路拓宽工程，由于理论技术和分析模式的复杂性，当前设计和施工方法大都是沿袭了新建路基的设计和施工方法，针对拓宽路基的设计和施工方法多为经验性，缺乏充分的系统理论研究，主要存在以下几个方面的问题。

（1）理论分析方法方面

从已有文献报道来看，新旧路基应力应变分析的计算模型还偏于理想，进行了过多的简化，而且大多以二维模型为主，也不能较真实地模拟实际施工工况。由于老路基已固结多年，且存在如塑料排水板、粉喷桩等人工处理措施，但目前没有将新路基和老路基的土体参数选取区别对待，因此计算参数的选取不尽合理科学，也无法明确考虑参数的变异性。在数值模拟中，基本上没有考虑荷载、地下水位等边界条件的变化，而这此变化对路基变形的影响是不能忽视的。软土具有流变性质，研究表明，软土路基的蠕变变形比较显著，不能被忽略，但目前的理论计算中都未考虑软土变形的时间效应问题，故对拓宽路基中长期变形的预测并不全面可靠。目前的数值分析大都基于传统的有限元分析，而新旧路基的沉降发生到最终裂缝的产生将伴随着大变形和裂纹，因此在分析过程中必须选用合适的数值分析方法以模拟路基的裂缝问题。

（2）新旧路基的相互作用方面

新旧路基在施工和运营过程中，由于老路基的开挖、新路基的填筑以及交通荷载和地下水渗流的改变等因素，新旧路基之间必然会存在相互的作用。这种相互作用对新旧路基分别会产生怎样的影响，需要进行系统的研究。通过分析不同施工和运营条件下的新旧路基的应力应变特性来确定合适的设计和施工方法，以保证路基加宽工程在施工和运营过程中的稳定。这方面的研究相对较少，而对于加宽工程施工和运营过程中的新旧路基的相互作用特性有待于进行深入的研究。

（3）拓宽路基处理技术方面

拓宽软基处理方法上，尽管已有多种处理方法实践和理论计算，但仍然存在拓宽路基与老路基特别是原构筑物连接处的地基沉降控制不理想，运营一段时间后路面出现纵横向裂缝的问题。目前，拓宽路基处治方法主要有地基桩加桩帽、土工格栅、砂垫层等，新旧路堤拼接结合部处治方法有开挖台阶、铺土工格栅等，但对这些方法如何综合应用，方案如何优选，以及在拓宽路基差异沉降控制方面的综合效果都缺乏研究和评价，数值模拟结果也不十分可靠，因而实际设计和施工中存在一定的盲目性，造成不必要的浪费。由于高速公路扩建加宽工程工期紧、施工场地狭窄，同时还要维持既有公路的正常交通运输等原因，软基处理方法的优选是应解决的关键技术。

扩建加宽工程设计中一个重要问题是如何处理填方段新旧路基之间的衔接，即如何处理新旧路堤的不均匀沉降。要采取有效的技术措施保证加宽路基与旧路基的良好衔接，使其成为一个良好的整体，避免或减少横向错台和纵向裂缝。目前这方面的设计和施工方法大多为经验性的，台阶开挖的尺寸、内倾的角度、压实的密度，加筋材料协调变形的机理、加筋的位置、数量等都存在较大的差异，都缺乏必要的理论分析。另外，对于加宽、加筋路基的稳定性分析也需要进行深入的研究。

3　进一步研究展望

（1）软土路基拓宽差异沉降机制及理论研究

基于软土路基拓宽工程病害问题调研，总结软土路基拓宽工程差异沉降规律。基于现场试验监测的反分析，开展软土路基拓宽离心模型试验分析，分析试验过程中变形及应力场变化特征、裂纹产生和发展规律，为建立系统的差异沉降理论分析方法奠定基础，并在此基础上，对已有的复合地基沉降计算公式进行修正，提出软土路基拓宽工程地基沉降计算简化模式。

（2）软土路基拓宽工程设计及优化

针对目前软土路基拓宽工程新路基处置中常用的一些地基处理方法，如：刚性桩复合地基（带帽预应力管桩）、柔性桩复合地基（水泥土搅拌桩）、浅层换填地基（加筋换填垫层）、轻质填料路堤（ESP、泡沫轻质土等）等，采用数值计算方法研究具体工况条件下复合地基设计参数（桩径、桩间距、桩长、桩身强度）、垫层厚度、加载速率、沉降速率及累计沉降量指标等。通过对设计参数的优化，提出相应的地基处理优化处置方案。

采用数值计算方法研究新旧路基相互作用及土工合成材料在新旧路基结合部连接中的作用机理，优化路基拼接设计参数（铣坡坡率、台阶高宽比），分析比较不同土工合成材料、不同埋设位置、不同加筋数量、搭接长度等条件下的加筋材料对于路基拼接时路基沉降、应力集中和整体稳定性等的改善作用，确定合理的新旧路基结合部的工程处理技术措施。

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