拓宽道路差异沉降的新型处治方式

杨志伟，杨东兴，江振华，申启华

(1.中山市交通项目建设有限公司，广东 中山 528403; 2.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014; 3.东南大学智能运输研究中心，江苏 南京 211189)

1 概述

广东省中山市地处我国东南沿海，道路下卧层为深厚软土。随着经济的发展，沙港公路沿线逐渐街道化、交通量不断上升、重载车辆增加，经过20多年车辆荷载作用，道路条件较差，不能满足车辆通行的要求，因而对其进行扩建改造。然而由于下部软土的作用，新扩建部分即使采用搅拌桩处理，仍会产生较大的沉降，进而在新老路交接处产生不均匀沉降，严重时会产生纵向裂缝，破坏道路的结构、承载力下降，影响道路寿命。

软土的存在往往会对其上部的构造物产生不良的影响。针对软土地基的处理，研究者大多采用砂垫层法、表层排水法、水泥搅拌技术、换填、爆破排淤等方法提高软土地基的承载能力[1-5]。

针对软土地基道路拓宽的不均匀沉降问题，学者从不同的角度开展了研究。柯胜旺[6]从内因和外因两个方面做出解释，并且认为在对新旧路堤交接处采用桩板复合地基在控制差异沉降和侧移等方面比水泥搅拌桩复合地基的效果要好。侯志峰[7]利用有限元计算软件ANSYS15.0对新老路基沉降规律进行研究，认为铺设土工格栅对控制新老路基的差异沉降效果明显。朱绍勋[8]分析了天然地基、搅拌桩地基和桩板式复合地基情况下的新旧路基的差异沉降，进而总结了不同地基处理下的效果以及相应的沉降规律。刘权[9]认为对于扩宽路基，在老路中心产生的沉降最小，在新路肩边缘靠里一点的沉降最大，并且双侧拓宽相对于单侧拓宽产生的不均匀沉降要小。

本文针对软土地基老路拓宽过程中即使对新建道路采用搅拌桩处理也可能出现的不均匀沉降的问题，采用ABAQUS有限元模型分别模拟了无处理、12 m桩处理及12 m桩和双层筋网夹水泥土处理下道路的沉降，根据模拟结果进行对比分析，提出了采用桩和双层筋网夹水泥复合处治的新方式解决道路拓宽的不均匀沉降问题。

2 工程简介及处治新方式

2.1 工程简介

以广东省中山市沙港公路(沙朗至中山港大桥)为依托，工程项目所处地区下部主要有含水率高、渗透性差、压缩性高的粉质黏土、淤泥质黏土等，厚度约38 m～54 m。老路为水泥混凝土路面，老路路基土经过多年的荷载作用被压实，刚度有所提高，但其具体模量很难准确测定。有资料[10]指出，软土路基经过半年超载预压后土体的弹性模量与路基原状土弹性模量的比值最高可达2.5∶1，而中山沙港公路经过20多年的荷载作用，老路土基的弹性模量势必会更大。新老路土基之间的模量差，必然导致新老路拼接处产生较大的差异性沉降，尽管在新建道路的土基中采用搅拌桩软土增强处理，为保障新老路面的平整性及预防可能出现的拼接处纵向开裂，提出增设新老路基土交界处上部双层筋网夹水泥土结构设计。

2.2 不均匀沉降处治新方式

针对上述所提出的问题多采用搅拌桩进行处理以减少新老路两侧的差异沉降量。现在沙港公路的软土地基中采用12 m的桩处理，但是实际情况下仍然会产生差异沉降的不良结果，因而提出改进方法：在设置12 m搅拌桩的基础上，同时在新老路土基交接处设置由两层加筋板、两层格栅与一层水泥土组成的两层筋网夹水泥结构。

具体的操作方法为：新路土基首先布设水泥搅拌桩，然后在老路板上部铺设加筋板条，其上铺设钢塑格栅进行固定，然后在新建道路以及距老路板边缘2 m的范围内铺设30 cm厚的水泥土，紧接着再布设第二层的加筋板条和第二层的钢塑格栅，且第二层的加筋板条与第一层的加筋板条在沿道路方向交错布置。布置详情见图1。

上述的处治方式，本质上是缓和新老路的不均匀沉降，使沉降过渡平缓，减少纵向裂缝，提高道路的平整度和使用年限。

3 老路拓宽路基不同处治方式的有限元建模及结构参数

为验证新型处治方式的效果，现采用ABAQUS有限元软件建立新老土基模量比为1∶1.3，1∶1.6，1∶1.9，1∶2.2和1∶2.5条件下的不同处理方式的模型。模型按实际工程路基尺寸1∶1建立：老路板宽14 m，厚0.26 m，老路基深3 m，在老路基下部为老路土基。拓宽后，路面宽度为42 m，面层厚度为0.18 m，基层厚度为0.54 m，垫层0.24 m，路基填土厚0.8 m，路基边坡坡率为1∶1.5。并采取长度为12 m、直径为0.5 m的搅拌桩对新路土基进行处治。为消除边界条件的影响，取地基深度为40 m，宽度为65 m。由于是在老路板边缘进行双侧拓宽，故模型仅构建半幅即可。

3.1 无处理时有限元模型与结构参数

根据上述内容建立有限元模型，在建立加宽的路基模型上施加道路自重和车辆荷载，从而可计算出路基横断面各点处未经处治的沉降量。具体模型如图2所示。

面层、基层和底基层采用线弹性模型，路基和土基采用摩尔库仑弹塑性模型。左右两侧设置x轴横向位移约束和弯矩约束，底部做固定约束。设置车道的均布荷载为13 kPa。道路各层位的材料参数如表1所示。

表1 道路各层位的材料参数

3.2 搅拌桩处理下有限元模型及结构参数

在无处理基础上，对新路土基进行水泥搅拌桩处理。边界条件不变，土基仍旧采用摩尔库仑弹塑性模型。在图2的基础上，在新路土基部分用12 m长、桩间距为1.3 m、直径为0.5 m搅拌桩处理。

根据实际工程，可以得到材料参数如表2所示。

表2 模型中土基新增材料参数表

3.3 桩加筋网夹水泥土的有限元模型及结构参数

在桩处治地基模型的基础上，在老路板上方增加双层筋网夹水泥土结构层，如图3所示。其中加筋板长5 m，钢塑格栅长4 m土工格栅和水泥土长16 m布满主道，水泥土厚0.3 m。将加筋板按照刚度等效原理等效为沿道路方向延伸的板。土工格栅采用Truss(T2D2)单元类型，加筋板采用Beam(B21)单元类型进行模拟，格栅和加筋板与土的接触采用Embedded region约束来处理。格栅、加筋板水泥土的本构关系为线弹性，土层材料采用Mohr-Coulomb模型。具体参数如表3所示。

表3 加强结构层材料参数

4 不同处治方式模拟结果分析

根据第3节中不同处治方式有限元模型的建立，可得无处理和仅有12 m桩处理条件下的沉降曲线图，如图4所示。

图4(a)为路表各点沉降的绝对值。从图中可以看出最大沉降值出现的位置在道路边缘且略偏内侧，这与刘权的结论相一致。并且随着模量比的减小，在新老路交接处的沉降曲线的曲率越大，表明在该模量比下新老路交界处产生的沉降量及沉降差更大，有较大的变形趋势。

图4(b)为12 m桩处理下路表各点15 a后的沉降值。根据曲线变化趋势可知：12 m桩处理对新老路土基模量比为1∶2.2时的处治效果最好。模量比不大于1∶2.2时，沉降变化趋势同无处理的变化趋势相同；而模量比大于1∶2.2时，沉降趋势发生改变，扩建道路部分有向上拱起的趋势，模量比越大在道路边缘的拱起量越大，且最大处位于新建道路边缘。图4(b)说明即使采取12 m搅拌桩对新路地基进行处理，在新老路拼接处仍然会发生差异性沉降。

图5为在新老路土基模量比为1∶1.3，1∶1.6，1∶1.9，1∶2.2以及1∶2.5条件下，仅采用12 m桩处理、塑料板筋网结构和12 m桩共同处理以及钢板筋网结构和12 m 桩共同处理不同工况下的有限元模拟出的沉降对比图。

图5(a)～图5(c)表现了虽然新老路模量比有差异，处理方式不同，但是不同处理方式下沉降曲线的变化趋势则相同，三条曲线基本上重合；从细微处来看，在新老路模量比为1∶1.3，1∶1.6和1∶1.9条件下，仅采用12 m 桩处理产生的沉降量要稍大于采取其他两种方式处理的沉降量；将图5(a)～图5(c)整体进行对比分析，可以看到随着模量比的变小，沉降量由142 mm变为121 mm，最终变为107 mm。

从图5(d),图5(e)中可得：在新老路模量比为1∶2.2和新老路模量比为1∶2.5时，不同处治方式的沉降曲线有显著差异。在单个图中，仅采用12 m桩处理产生较大的沉降，而采用塑料板筋网+12 m桩的沉降曲线与钢板筋网结构+12 m桩的沉降曲线大致相同，基本上重合在一起。说明采用塑料板筋网+12 m桩的处理效果与钢板筋网结构+12 m桩的处理效果大体相同。

图5(e)则表示了在新老路模量比为1∶2.5时，仅采用12 m的桩处理在新老路交接处仍会产生差异沉降，即在新老路拼接处仅采用12 m桩处理的沉降变化率要明显大于采用桩加筋网夹水泥土结构处理在该点的变化率，且采用钢板筋网结构与采用塑料板筋网结构的效果大致相同。采用桩和筋网夹水泥土结构能够有效缓解不均匀沉降问题，且筋网选择钢筋还是塑料条板的差异不大。

5 监测验证

对中山市沙港公路二标段进行实地监测，得到不同处理方式下路面下13 m的沉降曲线。详细沉降曲线图如图6所示。

图6(a)中由于老路板经过多年的沉降与车辆荷载的作用，该处的沉降量相对较少，并且在新建道路上布置有12 m的搅拌桩，同时在新老路交界处，采用钢条板-钢塑格栅-水泥土-钢条板-土工格栅共同处理。根据监测结果显示，路基下部13 m处老路板边缘的沉降量相对来说最少，并且目前沉降量已经趋于稳定。但是从总体上来看，在老路板中央和老路板边缘之间的差异沉降差不多仅为5 mm，在新老路交界处的差异沉降量较小。采用此处理方法，能够有效的改善新老路的不均匀沉降问题。

图6(b)为二标塑料条板处理+12 m桩共同处理下的-13 m的沉降曲线。目前两条沉降曲线都趋于平缓，并且二者大约相差15 mm，相对于二者之间的横向间距，15 mm的沉降量并不大，即采用塑料条板+12 m桩处理后该路段在老路板边缘和老路板中央的差异沉降较小。

如图6(c)所示，当新老路交接处仅采用12 m桩处理时，在距地面下13 m处测得老路板中央的沉降量要小于老路板边缘。并且在老路板中央的沉降曲线有逐渐平稳的趋势，而在老路板边缘沉降还在不断发展。

6 结论

在老路拓宽工程中，由于老路经过多年沉降以及车辆荷载的作用，沉降趋于稳定，模量增大。新老路土基设置不同的模量比，通过ABAQUS有限元软件计算道路拓宽未处治时、仅采用12 m搅拌桩处理以及采用12 m桩和双层筋网夹水泥土结构下的沉降变化曲线，得到如下结论：

1)新老路土基模量比越小，道路表面各点的沉降数值越小、道路表面与老路中心相对沉降值越大、不均匀沉降量越大；最大沉降处于新建道路边缘外侧部位，且随着模量的减小，最大沉降点向外侧移动。

2)采用12 m桩处理能够降低沉降量，且新老路土基模量比为1∶2.2时采用12 m的搅拌桩能够较好的处理不均匀沉降问题。

3)在采用水泥搅拌桩以及双层筋网夹水泥土复合地基方式处理时，二者效果相似。由于钢板筋网易于腐蚀，在工程中更倾向于选择塑料板筋网结构。