三屿互通连接线软基段落路基设计方案研究

■陈祖鑫

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

0 引言

三屿新区是三都澳内临近主城区，用地条件较为充裕，适宜大产业集中开发建设的用地。某汽车公司将于七都镇附近新建厂区，并于2019年9月投产运营，作为材料与销售重要通道的三屿互通，项目具有重大意义。由于该项目连接线位于软基段，互通连接线部分段落设计为三屿特大桥桥梁方案，三屿特大桥两侧设计有盘屿路，盘屿路路基和场地填筑将对桥梁造成影响。三屿特大桥一侧有旧桥和旧海堤，桥梁和场地施工也将对旧桥和旧海堤产生影响。为评估新建三屿互通连接线桥梁、路基和两侧新建盘屿路路基之间的相互影响，以及对既有云淡大桥和堤坝的影响，本文采用岩土有限元软件Geo-Studio对该项目设计方案进行计算和分析[1-5]。

1 项目概况

1.1 项目简介

本项目起点位于晋安区宦溪镇山溪村，设桃源溪互通与北二通道衔接。本项目终点拟定于连江县潘渡乡贵安村，与沿江大道(贵山公路)平交。

三屿互通连接线设计速度60km/h，路基宽度17.5m，双向四车道。三屿互通连接线位于三屿园区 (如图1所示)，连接线设计标高11～15，两侧设计有场区道路盘屿路，盘屿路平均设计高8，连接线施工在前，盘屿路施工在后，盘屿路施工时需将场地填平至盘屿路设计高，由于本路段为软基地段，若先施工三屿特大桥，后期盘屿路路基场地填土施工时，会对桥墩造成挤压，从而造成破坏。连接线一侧有一堤坝，堤坝内侧现有一条防汛路，FK0+900桩号左侧约60m处现有一座云淡大桥，场地的填筑也可能将对堤坝和云淡大桥产生影响。连接线后段为路基，若先施工连接线路基，后期施工的盘屿路路基沉降可能会导致先期施工的三屿路面不均匀沉降和开裂。

图1 项目位置图

1.2 地质条件

场区主要地貌单元主要为冲海积滩涂地貌，互通连接线路基段落属冲海积平原地貌，海拔高程-0.3～3.8m，为软土发育路段，上部分布素填土层，下为淤泥层，厚度2.0～5.0m不等，呈饱和流塑状态，具有含水量大、高压缩性、低抗剪强度等特性。

本场区地震设防烈度为6度区，工程场地地震动峰值加速度为0.05g，中硬土场地特征周期为0.40s。场区近期未发生过地震，根据 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010规定，本场地属于6度区，可不考虑砂土液化及软土震陷问题。

2 数值分析模型

2.1 计算模型

本文采用有限元岩土软件Geo-Studio中的Slope/W和Sigma/W模块来进行二维有限元分析，模拟并计算FK0+885、FK0+945、FK1+007 和 FK1+068 四个不同断面在不同情况下的位移和稳定性情况。稳定性计算方法根据 《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中的规定采用Bishop法。本项目钻探采用快剪指标，因此，路堤边坡稳定安全系数正常工况下应达到1.35[6]。

2.1.1 FK0+885断面

典型断面FK0+885的计算模型如图2所示，断面主线为三屿特大桥，左侧为既有的云淡大桥和防汛路，桥下两侧分别为将新建的盘屿路的左右线，盘屿路中间将其填平。计算模型范围140m宽，55m高。根据实际钻探结果，地下水位埋深约为1.8m，盘屿路路堤填料为土方，盘屿路软基处理采用挤密砂桩。土层自上到下分别为冲填土(填砂 6～8m)、卵石、淤泥或淤泥质粘土(3～5m)、卵石、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩。边界条件模型右侧为横向约束，模型底部和左侧为固定支座约束。

图2 FK0+885数值计算模型

2.1.2 FK0+945断面

典型断面FK0+945的计算模型如图3所示，断面主线为三屿特大桥，左侧为既有堤坝和防汛路，桥下两侧分别为即将新建的盘屿路的左右线，盘屿路中间将其填平。计算模型范围150m宽，50m高。根据实际钻探结果，地下水位埋深约为2.5m，盘屿路路堤填料为土方，由于靠近堤坝，为避免软基施工对堤坝产生影响，靠近堤坝一侧的盘屿路软基处理采用高压旋喷桩，远离堤坝的一侧采用挤密砂桩。土层自上到下分别为冲填土(填砂3～8m)、淤泥或淤泥质粘土(2～6m)、卵石、淤泥(1～2m)、中砂、卵石。边界条件模型右侧为横向约束，模型底部和左侧为固定支座约束。

图3 FK0+945数值计算模型

2.1.3 FK1+007断面

典型断面FK1+007的计算模型如图4所示，断面主线为三屿连接线路基，三屿路基左右两侧为盘屿路路基，三屿路基标高为13.1，高于盘屿路路基，右侧设置扶壁式挡土墙。左侧为既有堤坝和防汛路。计算模型范围160m宽，45m高。根据实际钻探结果，地下水位埋深约为2.2m，路基填料为土方，由于三屿连接线路基填方较高，且淤泥层中夹杂了卵石，因此软基处理采用小直径钻孔灌注桩的方式，灌注桩直径0.5m，平均桩长22m，桩间距2m，两侧盘屿路填土高度较矮，靠近堤坝一侧的软基处理采用高压旋喷桩，另一侧采用挤密砂桩。土层自上到下分别为冲填土(填砂 7～11m)、淤泥(0～1m)、中砂、卵石、淤泥(2～6m)、卵石。边界条件模型右侧为横向约束，模型底部和左侧为固定支座约束。

图4 FK1+007数值计算模型

2.1.4 FK1+068断面

典型断面FK1+068的计算模型如图5所示，断面主线为三屿连接线路基，三屿路基左右两侧为盘屿路路基，三屿路基标高为11.3，高于盘屿路路基，右侧设置衡重式挡土墙。左侧为既有堤坝和防汛路。计算模型范围150m宽，35m高。根据实际钻探结果，地下水位埋深约为1.7m，路基填料为土方，虽然三屿连接线路基填方较高，但淤泥层不厚，因此软基处理采用挤密砂桩，两侧盘屿路填土高度较矮，靠近堤坝一侧的软基处理采用高压旋喷桩，另一侧采用挤密砂桩。土层自上到下分别为冲填土 (填砂3～7m)、淤泥(0～2m)、中砂(2～5m)、卵石(0～2m)、淤泥(3～4m)、卵石。边界条件模型右侧为横向约束，模型底部和左侧为固定支座约束。

图5 FK1+068数值计算模型

2.2 计算参数

计算参数均采用摩尔库仑模型，土层参数取自实际工程钻探和室内资料，其他参数参考期刊文献[1-5]，其参数见表1所示。

3 计算结果

基于以上模型和参数，本文对四个典型断面FK0+885、FK0+945、K1+007和 K1+068进行稳定性、位移和变形计算，并分析现有方案的合理性。

表1 各土层物理力学参数

3.1 FK0+885断面

FK0+885断面离既有云淡大桥较近，桥下盘屿路软基处理采用高压旋喷桩和挤密砂桩的处理方式，处理长度为11～13m。处理后经验算，边坡稳定安全系数为2.691，此断面稳定性满足规范要求。

图6 FK0+885边坡稳定性

图7～图8为路基采用软基处理后，进行堆载后的位移云图。从图中可以看出，竖向位移云图为从路基中心点往外呈放射状，横向位移云图特点为在路基中线左右两侧基本对称。路基横向和竖向位移随深度增加逐渐减小，在路基范围内竖向沉降明显要大于横向位移。但云淡大桥因路基填筑产生的水平位移为竖向位移的25倍，因此本节主要讨论云淡大桥的水平位移。

图7 FK0+885断面竖向位移云图(m)

图8 FK0+885断面横向位移云图(m)

在盘屿路堆土的荷载作用下，地基发生沉降，对既有的云淡大桥产生侧向挤压作用。计算结果如图9所示(选取云淡桥靠近路基一侧的桥墩作为观测点，X轴代表云淡大桥桥墩水平位移，方向水平向左，Y轴代表高度，即云淡桥面为0点，向下为正)，若软基无处理，填土对既有云淡大桥产生的最大水平位移为0.49cm，采用软基处理后降低为0.32cm，最大位移值位于9～11m深处，即淤泥层所在位置。可以看出，软基处理前后，云淡大桥位移减少了35%且控制在较小的范围内，认为此方案对既有云淡大桥影响较小。

图9 填土对云淡大桥的影响

由于该断面桥梁和路基隶属于两个不同的项目，因此可能存在先后施工的问题，对三屿特大桥的影响也明显不同。施工不同先后顺序下三屿特大桥水平位移和竖向位移的变化计算结果如图10～图11(选取三屿特大桥右桥墩为观测点，X轴分别为水平位移和竖向位移，负值为水平位移向左，正值为水平位移向右竖向位移向下，Y轴代表高度，即三屿特大桥桥面为0点，向下为正)所示。

从计算结果可以看出，先施工盘屿路路基，后施工三屿特大桥的情况下，三屿特大桥桥墩最大水平位移和最大竖向位移分别为0.012cm和0.152cm；先施工三屿特大桥，后施工盘屿路路基情况下，三屿特大桥桥墩最大水平位移和最大竖向位移分别为0.418cm和0.188cm。可以看出，水平位移后者是前者的34.8倍，竖向位移后者也比前者大了23.7%。因此，为避免盘屿路后期施工路基对三屿特大桥桥墩产生影响，应必须先施工此段落路基，再施工三屿特大桥。同时可以看出，在先施工盘屿路路基情况下，三屿特大桥所产生的水平位移和竖向位移较小，因此认为此方案可行。

图10 填土对三屿特大桥的水平位移影响

图11 填土对三屿特大桥的竖向位移影响

3.2 FK0+945断面

FK0+945断面离既有堤坝较近，桥下盘屿路软基处理采用高压旋喷桩和挤密砂桩的处理方式，处理长度为7～12m。处理后经验算，边坡稳定安全系数为2.346，如图12所示，此断面稳定性满足规范要求。

图12 FK0+945边坡稳定性

在盘屿路路基填筑下，软土地基发生沉降，对既有堤坝产生影响。计算结果如图13～图14(选取既有堤坝右侧坡为观测点，X轴分别为堤坝在路基影响下的水平位移和竖向位移，水平位移方向向左，竖向位移方向为垂直向上，Y轴代表高度，即堤坝顶面为0点，向下为正)所示，从计算结果可以看出，软基无处理前，堤坝受填土影响最大水平位移和竖向位移分别为0.92cm和0.81cm，软基处理后，堤坝最大水平和竖向位移分别为0.76cm和0.67cm，均有所减小，且均在容许范围内。因此，认为该断面此处理方案可行。

图13 填土下堤坝的水平位移

图14 填土下堤坝的竖向位移

3.3 FK1+007断面

FK1+007断面三屿连接线为路基，填土高度达到10m，采用小直径钻孔灌注桩进行软基处理。两侧盘屿路标高较矮，左侧填高3.2m，软基处理方式采用高压旋喷桩；右侧5.5m，软基处理方式采用挤密砂桩。处理后经验算，边坡稳定安全系数为2.090，如图15所示，此断面稳定性满足规范要求。

图15 FK1+007边坡稳定性

采用软基处理后路基对堤坝影响的计算结果，如图16～图18所示，堤坝的水平位移和竖向位移最大值分别为0.54cm和0.84cm，方向分别为水平向右和垂直向上。既有堤坝位移在容许范围内，认为此断面处理方案可行。

图17 FK0+885断面竖向位移云图(m)

图18 填土下堤坝的位移

由于两个项目施工顺序不同，当三屿互通段落先施工完毕后再施工盘屿路路基，容易使得盘屿路路基沉降对已施工的三屿互通造成影响。计算结果如图19所示，图中选取三屿互通路基范围内的点进行观测，以路基左边缘为水平位置零点，在三屿互通路基施工后，由于盘屿路基的填筑，使得三屿路面产生明显变形，由于右侧盘屿路路基填土较高，因此三屿路面位移从左到右逐渐递增，最大水平位移和竖向位移分别为5.01cm和4.68cm，左右路面水平位移差和竖向位移差分别为3.71cm和4.43cm，位移差较大容易导致路面开裂和不均匀沉降。因此，建议若条件允许，两个项目的路基也应同时进行施工，避免后期施工路基对前期施工的路基路面产生不良影响。若无法同时施工，认为后期施工的盘屿路，应尽量采用刚性桩进行软基处理，减少沉降。

3.4 FK1+068断面

FK1+068断面三屿连接线为路基，填土高度达到8.3m，采用挤密砂桩进行软基处理。两侧盘屿路标高较矮，左侧填高4.0m，右侧6.2m，由于淤泥较薄，软基处理方式采用高压旋喷桩和挤密砂桩。处理后经验算，边坡稳定安全系数为1.938，如图20所示，此断面稳定性满足规范要求。

图20 FK1+068边坡稳定性

采用软基处理后路基对堤坝影响的计算结果，如图21所示，堤坝的水平位移和竖向位移最大值分别为0.22cm和0.78cm，方向分别为水平向右和垂直向上。既有堤坝位移在容许范围内，认为此断面处理方案可行。

图21 填土下堤坝的位移

4 结语

本文通过采用二维岩土有限元软件Geo-studio的模拟，对新建三屿互通连接线桥梁、路基和两侧新建盘屿路路基之间的相互影响，以及新建路基对既有云淡大桥和堤坝的影响进行计算分析，结论如下：

(1)FK0+885、FK0+945、FK1+007 和 FK1+068 四个断面在软基处理后，路堤边坡稳定安全系数分别为2.691、2.346、2.09和1.938，均满足规范要求。

(2)FK0+885断面盘屿路路基在软基处理后对既有云淡大桥产生的最大水平位移值为0.32cm，认为方案可行，影响较小。

(3)FK0+885断面中，先施工盘屿路路基，后施工三屿特大桥的情况下，三屿特大桥桥墩最大水平位移和最大竖向位移分别为0.012cm和0.152cm；先施工三屿特大桥，后施工盘屿路路基情况下，三屿特大桥桥墩最大水平位移和最大竖向位移分别为0.418cm和0.188cm。水平位移后者是前者的34.8倍，竖向位移后者也比前者大了23.7%。因此，为避免盘屿路后期施工路基对三屿特大桥桥墩产生影响，应必须先施工路基，再施工三屿特大桥。

(4)FK0+945、FK1+007和FK1+068三个断面的路堤填土对既有堤坝产生的最大水平位移分别为0.76cm、0.54cm和0.22cm，最大竖向位移分别为0.67cm、0.84cm和0.78cm。认为计算的位移值在安全范围内，方案可行。

(5)FK1+007断面中，在三屿互通段落先施工完毕后再施工盘屿路路基情况下，连接线路面最大水平位移和竖向位移分别为5.01cm和4.68cm，左右路面水平位移差和竖向位移差分别为3.71cm和4.43cm，位移差较大容易导致路面开裂和不均匀沉降。建议若条件允许，两个项目的路基也应同时进行施工，或盘屿路后期施工采用刚性桩进行软基处理。