桩网混合路基降沉控制设计技术研究

高超

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京100195）

0 引言

在公路扩改建工程中，不可避免地会遇到新老路基差异降沉的问题。桩网混合路基具有降低新老路基差异降沉和增强路基载承性能的技术优势，在公路扩改建工程中应用较多。但在大量的工程应用中，对这种路基稳定性控制技术的量化分析研究还较少，这不利于该技术的把握与应用。本研究基于工程案例，以工程有限元数字模拟分析的方法，对桩网混合路基设计方案下的不同路基高度的差异降沉控制影响问题，开展专题分析研究，以期为公路路基降沉控制的工程应用，提供研究和技术参考。

1 案例工程

案例是华东地区某高速路网的骨架线路，交通繁忙。在地区城镇化进程加快的背景中，该线路的车流量逐年增加，经常面临着超载运行的交通状态，为适应地区交通发展的需要，扩改建势在必行。该公路历经16年运行，原有的路基基本得到巩固，因此新旧路基差异沉降控制，成为扩改建工程设计的技术重点。本次扩改建公路总长为309.2km，将原双向四车道的高速路，采取“多处两侧拓宽，局部单侧拓宽，桩网稳固新旧基础”的方法，扩改建成为双向八车道的高速路。

2 桩网混合路基设计方案

混合路基沉降控制设计存在三种设计思路：其一，控制条件为正常应用极限情况下的载承力，校核条件为正常应用极限情况下的降沉量；其二，控制条件为正常应用极限状态下的降沉，校核条件为正常应用极限状态下的载承力；其三，同时控制载承力和降沉的设计方法。其中第1 种设计思路是以载承力为控制条件，它适合在桩体置换率高且刚度大、土质好的条件下应用。可是当土性较差时，通常会发生载承力满足但是降沉量不满足的状况，特别是当处理高速路软弱土路基时，更容易发生差异降沉或降沉量不符合设计需求的现象。而第3 种设计思路，当载承力和降沉量满足需求时，须针对置换率、桩间隔距离、桩长、桩径等诸多设计参数求出最佳解，这种方法难度比较大并且费时[1]。

案例工程选用第2 种设计思路，更适用于处理高速路的软弱土路基。为增强新老路基的凝聚力，采用阶梯式方法开挖老路基边坡，开挖的高度不低于0.8m，宽度不低于1m，并且布桩的起始为旧路基边坡中间的台阶。将旧路基下桩长由15m 增加至18m，将旧路基下桩距由1.5m 改为1.2m（3D），并且位置由原位改为原路基表面，而新建路基下的桩长和桩距保持不变。

3 不同路基高度下的差异降沉控制影响分析

3.1 路基高度4m

当路基高度是4m 时，老路基和新路基之间有差异降沉，这是因为多年的通行，老路基土体形变基本稳定，路基具有较好的完整性。新路基扩宽后，须在自身重量下完成初降沉、固结降沉和二次固结降沉的过程，所以新路基侧向降沉量比较大。伴随距离老路基中心线的加大，竖向移位逐步增加，新扩宽路基路面的垂向降沉变化量比较大，最大降沉发生在新路基路肩边缘附近。改进方案后路基顶面最大降沉量是11.97mm，原有方案的是13.8mm，最大降沉量降低了13.26%。

伴随到老路基中心距离的加大，地表降沉先加大后降低。地面最小降沉在道路中心线，最大降沉出现在距路基中心线17m 处，即扩宽路基中心下方的路基土降沉最大。原有方案最大降沉数值是12.89mm，改进方案中新路基下地面最大降沉量是9.21mm，老路基下是7.29mm，地面最大降沉降低了28.55%；改进方案的差异降沉量是2.12mm，原有方案最大差异降沉量是7.26mm[2]。

由路基表面的差异降沉可知，最小降沉出现在该路中心线的路面处，并且老路基路面的变化相对平坦。伴随到路基中心距离的加大，降沉也随之增大，新扩宽路面的垂向降沉变化率也比较大。整个曲线呈现勺状，新路基路肩边缘附近发生最大降沉。改进方案后最大降沉值是11.97mm，原有方案最大降沉值是15.2mm，路面最大降沉降低了21.25%；改进方案的最大差异降沉量是5.4mm，原有方案的是9.63mm，新老路基最大差异降沉降低了43.93%。

3.2 路基高度6m

当路基高度是6m 时，改进方案的路基顶面最大降沉量是17.89mm，原有方案路基顶面最大降沉量是23.03mm，最大降沉量降低了2.32%。伴随到路基中心距离的加大，地表降沉先加大后降低。原有方案最大降沉量是18.85mm，选用改进方案之后，新路基下地面最大降沉量是11.21mm，老路基下是9.55mm，地面最大降沉降低了40.53%。选用改进方案后新老路基最大差异降沉量是4.51mm，原有方案最大差异降沉是11.99mm。

比较路基表面差异降沉可知，路基顶面降沉曲线呈勺状，新路基路肩附近处发生最大沉降。改进方案最大数值降沉是17.87mm，原有方案最大降沉数值是24.93mm，路面最大降沉降低了28.32%。改进方案后最大均匀降沉量是9.48mm，原有方案最大差异降沉是17.2mm，新老路基最大差异降沉降低了44.83%[3]。

3.3 路基高度8m

当路基高度是8m 时，新老路基面有显著的差异降沉。 选用改进方案后路基顶面最大降沉是23.07mm，原路基顶面最大降沉是35.23mm，降低了34.52%。

伴随到路基中心距离的加大，地面降沉先加大后降低。并且最大沉降出现在扩宽路基中心下方的路基土处。原有方案最大降沉数值是22.66mm，选用改进方案之后，新路基下最大降沉量是12.34mm，老路基下是8.23mm，最大降沉量降低了45.54%。改进方案的最大降沉差是8.25mm，原有方案是12.24mm，地面最大降沉差降低了32.56%。

从对比路基表面差异降沉可知，路基顶面降沉曲线呈“～”形，最大降沉发生在新路基路肩边附近。选用改进方案之后，最大降沉数值是23.01mm，而原有方案最大降沉数值是36.96mm，路面最大降沉降低了34.29%。 选用改进方案后最大差异降沉量是17.57mm，原有方案最大差异降沉差是25.41mm，新老路基最大差异降沉降低了30.85%。

3.4 路基高度10m

当路基高度是10m 时，新老路基表面有显著的差异降沉。选用改进方案后路基顶表面最大降沉量是28.83mm，原路基顶面的是48.71mm，降低40.8%。

伴随到路基中心距离的加大，地表降沉先加大后降低。原有方案最大降沉数值是33.48mm。选用改进方案后，新路基下最大降沉量是15.03mm，老路基下最大降沉量是10.86mm，最大地表降沉降低了18.45mm；改进方案最大差异降沉量是7.94mm，原有方案是24.29mm。

从比较路基表面的差异降沉可知，发现路基顶表面的降沉曲线为“～”，在新路基路肩边附近发生最大降沉。原有方案最大降沉数值是50.78mm，选用改进方案之后，最大降沉数值是28.65mm，路面最大降沉降低了41.05%。 改进方案后最大差异降沉是18.3mm，原有方案最大差异降沉是35.48mm，新老路基最大差异降沉降低了48.28%。

可见，选用改进方案之后，扩宽的新路基对老路基降沉影响不大，并且新老路基的差异降沉显著减小。这是因为对软土路基实施桩网混合路基处理之后，桩网混合路基有效地降低了上部路基传递的载荷和老路基的附加应力，通过桩网混合路基与路基土的相互作用增强了路基的载承力，进而降低了路基的表面降沉和差异降沉量。

比较不同路基填筑高度下的差异降沉可知，路基的填筑高度h 值越大，扩宽后路基的差异降沉量和表面降沉越大，并且扩宽后，最大降沉点逐步从路基表面移动到新路基的路肩。伴随路基高度h 值从4m 增加为10m，路肩最大降沉量也从11.57mm 增加为28.65mm，新老路基差异降沉从 5mm 增加为18.35mm；附加降沉位于老路基中心线，伴随路基填筑高度的增加而逐步增加。造成上述结果的起因为，当路基的填筑高度减小，扩宽路基自身重量载荷在路基内引起的附加应力也降低，因此老路基的附加降沉就相对越小。

4 结语

案例扩改建工程以降沉量为控制条件，开展了桩网混合路基改进设计。本研究在介绍桩网混合路基改进设计基础上，借助FLAC3D 专业有限元模拟计算系统，分析了不同路基高度下的差异降沉控制影响。研究结果显示，改进设计方案能更有效地控制新老路基间的差异降沉问题，对降低新旧路基沉降，提升路基载承力，有技术参考价值。