高速公路新旧路基差异沉降控制技术试验研究

阎玉菡 孙拴虎 齐海鹏 李帅

摘要：新旧路基的不均匀沉降问题是引起路面病害的重要原因，研究表明可以利用土工离心实验来模拟不同工况中对新老路基利用管桩形成复合地基的沉降控制。利用管桩不仅可以很大程度上减小新老路基的不均匀沉降而且能够加快路基沉降的稳定，管桩处治技术可以用于对沉降要求较高而且工期短的工程，针对管桩处治技术中出现刺入现象，通过加管帽可以有效地缓解。

关键字：新旧路基;不均匀沉降;土工离心试验;管桩

中图分类号：U416.1

1引言

随着我国经济的迅速发展，交通量也随之快速增长，早期修建的一些高速公路已不满足当前的需求，所以道路拓宽成为一种方便快捷又经济的方法。但是在道路拓宽施工完成后，由于新老路基的填筑材料、厚度、固结程度等方面差异[1]，引起路基路面的变形，开裂特别是拓宽软土路基后路面经常出现横向、纵向裂缝的病害，这是由于新老路基的不均匀沉降[2]。在道路的拓宽建设中，如何控制新老路基的不均匀沉降成为主要技术难题之一。相应的研究成果也非常多，在土力学理论中，普遍认为沉降的计算采用分层总和法，通过对公路的拓宽方式和宽度对路基沉降的影响研究，证明了分层总和法的不足[3]～[4];用土工离心试验和有限元分析了拓宽路基沉降和应力集中的规律[5];并且对搅拌桩墙、粉喷桩对路基的稳定性和沉降性控制设计分析[6]等。为了控制拓宽路基后新老路基差异性沉降，在拓宽路基中埋设预应力管桩这是一种常用的方法[7]。本文通过对比埋设管桩前后的沉降变化，验证PTC管桩对新老路基不均匀沉降具有改善作用。

2试验内容与试验材料

2.1试验材料

本文利用土工离心试验模拟G60高速公路贵新段改扩建情况，研究PTC管桩对控制差异性沉降的作用。所用试验材料均来自高速公路沿线的黏土，作为离心实验模拟新老路基的填料。并对该填料做级配试验，试验结果表明该填料的有效粒径小于0.0015m，不均匀系数大于20，级配良好。离心试验选用的管桩选用弹性模量均匀，且易测量，强度较高的无缝钢管，该钢管的外径为12mm，壁厚2mm。在桩顶安装15×15×5mm的方形螺旋帽模拟管桩的桩帽。

2.2土工离心模型制作

制作700×500×360mm规格尺寸的土工模型试件用来模拟实际工程中不同的工况。试件模拟新老路堤的填筑高度为64mm，分为6层填筑，路堤下面的地基厚度取226mm，并且分为3层填筑，地基的填筑材料从下到上分别为砂性粉土、软土及粉质黏土。根据试验要求的需要，利用模具制作了4组模型，编号A、B、C、D，其中模型A在路基拓宽时，未对拓宽路基做处理;模型B在路基拓宽时，从老路坡脚到新路坡脚平均安插4排8m长的管桩;模型C在路基拓宽时，同B一样安插4排10m长的管桩;模型D在路基拓宽时，安插4排12m长的钢管。

2.3 土工离心模型的加载工序

根据试验工况试验模型与实际工况的几何相似比C取62.5。实际工况中分为6层填筑，故离心试件制作时加载也分为6级，由于路基对于压实度的要求，越靠近路面压实度要求越高，并根据固结的特点，土工离心模型的加载顺序从下到上，加载方式如表1所示。

表2所示的载方式相当于实际4m路堤填筑时，每层填筑间隔3天，模拟老路堤的施工沉降。土工离心模型填筑结束之后将试件放置离心机上22.4h，模拟老路堤运营10年的路基表面的沉降。观测4组模型的沉降之后，然后对模型进行台阶开挖，然后分别对每个模型添加上文描述A、B、C、D不同管桩长度分层拓宽填筑，填筑结束之后将试件放置土工离心机上直接将加载速率增加到62.5g。拓宽加载的时间与工况模拟如表2所示。

3 PTC管桩的作用

3.1 路基表面的沉降

在土工离心试验中，利用直滑式导电塑料位移计对新老路基表面S1、S2、S3、S4处以及地基的竖向位移进行测量，通过对比测量可以得到路基表面的沉降值结果如图所示。

分析圖1可知，管桩的处治很明显地减小了路基的沉降值，经过定量的分析，工后1个月后在路基埋设12m管桩的路基表面的不均匀沉降值相对于无管桩的路基不均匀沉降值减小89.5%，8m管桩相对于无管桩处治的路基不均匀沉降值减小了54.8%。

分析图2可知，工后6个月后，用12m管桩处治的路基相对于无管桩处治的路基新老路基的不均匀沉降减小了90.2%，而8m长的管桩的路基处治，使得新老路基的不均匀沉降相对于未处治的路基减小了62.2%，相比工后一个月对新老路基的不均匀沉降减小了更多。

分析图3可知，工后1年之后，12m管桩的路基处治对新老路基不均匀沉降减小了91.5%，10m长的管桩处治使得不均匀沉降减小了81.4%，而8m长的管桩使得新老路基的不均匀沉降减小了71.3%，管桩对新老路基不均匀沉降值的控制逐渐趋于稳定。

分析图4可知，工后3年之后，12m管桩的路基处治使得新老路基的不均匀沉降减小了91.8%，10m长的管桩处治使新老路基的不均匀沉降减小了82.2%，8m长的管桩处治相对于无管桩处治的新老路基的不均匀沉降值减小了72.5%。

综上可知，路基的沉降值随着工后年限逐渐增长而逐渐增大，埋设管桩的路基处治很明显的降低了路基的沉降，而且管桩的长度越长，对路基的沉降值得减小越明显。10m和12m的管桩对沉降值的影响随着固结时间增长变化不大，表明管桩的长度对拓宽之后新老路基的不均匀沉降的减小程度呈正相关，表明管桩也只有穿过软土层，荷载大部分由管桩和深层土承担时，管桩对新老路基的不均匀沉降的效果才比较明显。

3.2 路基土以下地基沉降

由于地基内部的变形很难量测，因此对于地基沉降变形只能通过静态量测，测量地基表层的沉降值。测量时以新老路基交界处且与模型箱接触处为纵向坐标原点，向下为正;然后对应水平横向坐位平行于模型箱壁的水平线。首先用大头针插入待测沉降的位置，并记录好大头针的当前竖向位置，靠近新老路基的交界处和新路基的填筑处大头针可以插入的密一些，靠近模型箱壁的地方大头针可以适当疏一些，然后待模拟加载结束后在测量大头针的竖向位置，将加载前后的竖向位置相减。结果为正，表明地基沉降了，结果为负，表明地基隆起。模拟工况1个月、工况6个月、工况1年、工况3年加入不同长度管桩之后地基不同位置的沉降结果如图所示。

分析图5可知，管桩复合地基的沉降会受到管桩长度的影响，管桩的长度越长，地基表面的沉降越小。工后1个月，12m管桩长度对应地基的表面沉降值得峰值为2.6mm;管桩长度10m对应的地基沉降峰值为2.8mm，管桩长度8m的复合地基表面沉降峰值为3.2mm，这也表明了管桩的长度越长对改善地基表面的沉降效果越明显。地基沉降峰值处是管桩插入的地方，表明管桩复合地基存在“刺入现象”，但由于管桩有平滑的桩帽，可以有效缓解刺入现象。

分析图6可知，复合管桩地基的沉降规律类似于图5，只是地基的沉降值有所增加地基表面的沉降在管桩插入的地方取得峰值，远离管桩时地基表面的沉降逐渐减小。工后6个月后，12m管桩对应地基表面的沉降为3.25mm，10m管桩对应复合地基表面的沉降为3.5mm，8m管桩对应的复合地基沉降值为3.75mm，再一次表明了管桩的长度越长，对改善地基的沉降效果越明显。

分析图7、图8可以知道，工后1年后地基的沉降几乎已经稳定，12m管桩对应的地基沉降峰值为3.85mm，10m管桩对应的地基沉降为4.25mm，8m管桩对应的复合地基沉降为4.62mm;而工后3年之后，12m 管桩对应地基沉降峰值为3.87mm，10m管桩对应复合地基的沉降峰值为4.31mm，8m管桩对应复合地基表面的沉降峰值为4.72mm。表明管桩对地基表明沉降达到稳定的时间也有影响，管桩地基能够加快软土地基的沉降，且管桩长度越长效果越好。

4 结论

（1）拓宽路基的新旧路基连接处，采用PTC管桩处治可以加快路基土的沉降，至少可以缩短沉降周期的1/3。这种方法方法可以用于对工期较短且对沉降控制要求较高的高速公路改扩建工程。

（2）管桩处治的方法可以大大减小老路基的不均匀沉降，但是在管桩处治的过程中会出现刺入现象，浅层桩的桩侧土会产生向下的位移，产生向下的刺入;而深层桩的桩侧土会因为挤压，产生向上的位移，从而形成向上的刺入。但是由于樁帽和软卧下垫层的存在，刺入现象得到很好地缓解。

参考文献

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