软土地基公路改扩建数值模拟及施工技术研究

许利东 张关钦 张延杰 高买燕 朱贝贝 张家伟

云南建投基础工程有限责任公司 云南 昆明 650501

近年来，我国西南地区高速公路建设发展迅猛，公路建设日新月异。但在软土地基公路改扩建工程中，常面临新旧路基沉降不均匀、地基沉陷、搭接处路面开裂等工程问题[1-5]。软土地基及新旧路基搭接的处理技术直接影响着公路的使用寿命，也是确保既有线路改扩建成功的关键[6]。日本和挪威对新旧路基结合方面的研究较多，而美国、印度等主要解决山区公路的路基拓宽问题[7]。

在国内，软土地基公路改扩建研究在东南沿海地区较多，而在西南地区该方面研究甚少。为促进该地区公路发展建设，本文对西南某高速公路在软土地基上的改扩建工程进行研究。

1 工程概况及地质特征

1.1 工程概况

西南地区某高速公路改扩建工程路线全长5.261 km。按一级公路标准改建，设计车速为60 km/h。路基宽度40 m，新路基宽约29 m，旧路基宽约11 m。该工段为路基扩建段，路基全为填方，左侧为旧二级路，右侧分布农田、水塘。本道路右侧扩建部分地基上部2.0～4.0 m主要为淤泥质土、高液限土和有机质土。软土层强度低，地基承载力基本容许值为90 kPa，无法满足地基承载力要求。

1.2 地质及气候特征

该高速公路沿线为同一个地貌单元，属盆地冲积平原，地势平缓，公路两侧分布村庄、农田和水塘。项目区冬夏温差小，昼夜温差大，干湿季节分明。

2 数值模拟及分析

2.1 数值建模

为实现对该高速公路改扩建工程施工的指导，采用FLAC3D数值软件对该路堤进行沉降计算[8]。路堤设计宽度40 m，左右两侧为挡土墙，路堤平均高6 m，旧路基宽度约11 m，新路基换填高度平均3 m，换填层上部铺垫的路基层平均高3 m。该路堤下竖向取20 m，20 m以下硬塑黏土视为不可压缩层。道路轴线方向及宽度方向各取60 m。土体单元本构关系采用摩尔-库伦模型，根据地勘报告及回填试验报告，计算参数如表1所示。模型底部、两侧及路基挡土墙通过位移边界条件约束。路堤沉降三维数值模型如图1所示。固结沉降计算时间30个月，地下水位为路面下1.7 m。

表1 力学参数

图1 路堤沉降三维数值模型

2.2 数值分析

2.2.1 固结沉降分析

经过固结沉降计算，得到路基表面固结沉降曲线如图2所示。30个月后固结沉降量最大值为22 cm，沉降量最大的位置不在道路中心处，而是向新路基侧偏移。总体而言，旧路基固结沉降量小，新路基固结沉降量大。

图2 路基表面固结沉降曲线

旧路基在长期荷载作用下，固结沉降量小；新路基下部清淤换填，上部分层铺垫，虽经过分层碾压，但固结作用时间短，所以在后期路面荷载作用下，新路基沉降量大于旧路基，且沉降量最大值向新路基侧偏移，不在道路中心线位置处。

2.2.2 水平应力分析

从x方向的水平应力云图（图3）可知，蓝色到浅绿色表示水平方向压应力逐渐减小，黄色到红色表示拉应力逐渐增大。在路堤内，从两侧向中央位置，拉应力逐渐减小，但在旧路基内，水平拉应力较为明显，存在应力集中的现象，而新路基侧水平拉应力相对较小。路堤以下基土在水平方向主要为压应力，且由上往下逐渐增大。在新旧路基搭接处，拉应力由下往上、由新路基向旧路基逐渐增大。从x方向水平应力分布趋势看，新旧路基水平拉应力分布不均匀、不对称，搭接处应力集中现象较为明显。

图3 x方向水平应力云图

通过固结沉降和水平应力分析，在后期道路使用过程中，新路基沉降量大，旧路基沉降量小，新旧路基沉降不均匀；水平拉应力分布不均匀、不对称，新旧路基搭接处应力集中作用明显，易造成路面结构破坏、开裂、错台等病害的发生。

3 控制技术方案及措施

3.1 软土地基公路改扩建技术

该高速公路在软土地基上的改扩建工程采用“清淤换填＋纵向台阶开挖＋土工格栅铺垫”的施工关键技术，新旧路基结构如图4所示。

图4 新旧路基结构

在软土上拓宽路基，多采用软土加固和换填等方式，以提高地基承载力，降低新旧路基拼接产生的不均匀沉降，保证路面结构的完整性。该扩建段里程较长，达5.2 km，软土层厚2～4 m，清淤换填方式较为适用，且工程费用低。经综合考虑，选择清淤换填方式处理软土地基，换填深度为2～4 m，采用片、碎石处置。

该路段利用现二级路进行改扩建，新旧路基搭接采用“纵向台阶开挖＋土工格栅铺垫”方式进行处理。在搭接处，旧路基开挖成宽度大于2 m、内倾斜度大于4%的纵向台阶，以此使新旧路基能够以相互嵌入的方式紧密结合，从而提高新旧路基的整体性。在路槽下铺设3层50 kN双向钢塑土工格栅，利用土工格栅与土的摩擦作用、土对土工格栅的被动阻抗作用、土工格栅孔眼对土体的锁固作用及加筋补强作用，提高搭接处土体强度，抵抗水平拉应力的应力集中作用。该措施解决了水平拉应力分布不均匀、不对称和应力集中等问题。

3.2 软土地基处理工艺流程及控制措施

针对本道路右侧扩建部分地基上部2～4 m的淤泥质软土换填和新旧路基搭接施工，须采取相应控制技术措施，来保证软土地基公路改扩建的施工质量。

3.2.1 软基处理工艺流程

施工准备→测量放线→清淤清表→非适应性土挖出→换填片石及砂砾料→分层夯实→质量检查

3.2.2 清淤换填技术控制措施

1）粒径控制。回填料应选用水稳性或透水性好、风化程度低、强度高的材料。回填料应达到合理的粒径和级配，确保压实后无明显的空隙、空洞。本工程清淤换填采用了不易风化的片石，饱水抗压强度大于15 MPa，最大粒径不超过层厚的2/3。

2）松铺厚度控制。填筑前用标志杆确定松铺厚度，并用细尼龙绳与标志杆相连，控制松铺厚度。填筑时根据标志杆上标识进行回填，每层回填完后立即进行摊铺碾压。

3）压实度控制。采用振动压路机对回填路段分层进行压实。施工中压实质量由压实遍数、松铺厚度、沉降差综合控制，石料强度、粒径应符合有关的规定，并逐层压实至回填层顶面石块稳定。

4）沉降控制。对新路基采取一年多的车辆碾压措施，同时对路基的不同测点进行高程沉降差观测。

3.3 新老路基搭接工艺流程及控制措施

3.3.1 纵向台阶开挖施工技术

在新旧路基搭接处设置坡度向内大于4%、宽度大于2 m的台阶。回填时选用级配较好的砾类土、砂类土、碎石填筑，压实度不小于96%。

3.3.2 土工格栅铺垫施工技术

施工工艺流程：检测、清理下承层→人工铺设土工格栅→搭接、绑扎、固定→摊铺上层路基土→碾压→检测。

路槽下铺设3层50 kN双向钢塑土工格栅。安装铺设的土工格栅主要受力方向（纵向）应垂直于路堤轴线。土工格栅铺设应平整、无皱折，不得卷曲扭结，尽量张紧，相邻2幅格栅搭接0.2 m。铺设完土工格栅后，人工铺设上层填料，及时完成碾压，避免长期暴晒。

4 工程实施效果

该高速公路在软土地基上通过“清淤换填＋纵向台阶开挖＋土工格栅铺垫”方式进行改扩建。施工后，经一年多的沉降观测和路面质量检查，搭接处尚未发生错台、路面开裂等病害，数值模拟计算的沉降值最大处几乎无沉降变形，道路中心位置及右侧未见裂缝发生，路面平整。经数值模拟对软土地基上公路改扩建的分析指导，采取的施工关键技术措施有效地解决了新旧路基的沉降不均匀，水平拉应力分布不均匀、不对称，应力集中等问题，施工效果良好。

5 结语

该工程应用FLAC3D软件对路堤进行三维沉降变形模拟分析，并指导施工。在“清淤换填＋纵向台阶开挖＋土工格栅铺垫”施工关键技术及其控制措施下，实现了良好的施工效果。研究得到以下结论：

1）数值计算得出新路基沉降量大于旧路基，且沉降量最大值向新路基侧偏移；新旧路基水平拉应力分布不均匀、不对称，搭接处应力集中现象较为明显。

2）新路基侧2～4 m的软土地基采取清淤换填技术措施进行处理，根据数值分析的沉降规律，通过对压实度、粒径、松铺厚度等严格控制，及后期一年多车辆对新路基的碾压措施，缩小了新旧路基间不均匀沉降的差异。

3）新旧路基搭接处采取“纵向台阶开挖＋土工格栅铺垫”措施进行施工，根据数值分析的水平应力分布规律，通过纵向台阶开挖和土工格栅铺垫，增强了路基搭接处的抗拉强度及路基的整体稳定性，避免了搭接处路面病害的发生。

4）通过FLAC3D软件对路堤的沉降计算分析，实现对软土路基上公路改扩建工程的施工指导，施工效果良好，可为类似工程提供借鉴依据。