公路拓宽路基沉降监测方法及加固效果研究

覃武

摘要：软土具有高压缩性，对软土地基高速公路进行拓宽处理时，极易产生较大的差异沉降，从而导致路面裂缝和整体失稳破坏。基于此，文章依托某高速公路拓宽路基工程，分别设置水泥搅拌桩和桩板结构处理地基现场监测试验段，分析不同施工阶段的沉降位移；选用ADINA进行数值仿真计算，分析天然工况、水泥搅拌桩工况和桩板结构工况下，原路基和地基表面受力变形特性，得到如下结论：路基和路面基层填筑期，桩板结构受自重影响，会导致较大的沉降，随着填筑的持续进行，其下方土体固结趋于稳定，桩板结构开始发挥作用；现场监测试验和数值仿真结果均表明，相较于水泥搅拌桩，桩板结构能够更好地控制拓宽路基工程中新旧路基的差异沉降和侧向位移。本研究可为类似工程的地基处理提供一定的参考。

关键词：道路工程；水泥搅拌桩；桩板结构；拓宽路基

中图分类号：U416.1    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0071-04

0 引言

为满足车辆快速通行和安全行驶的要求，拓宽老旧高速公路已经成为时代的发展趋势。我国软土广泛分布，其工程特性较差，对软土地基高速公路进行拓宽时极易产生质量问题，如路面裂缝、路基整体失稳等。因此，如何控制高速公路拓宽工程中新旧路基的差异沉降至关重要，对此，大量学者进行了深入研究。李刚等[1]依托某高速公路改扩建工程，运用有限差分软件分析了不同拓宽宽度、填方高度、弹性模量、压缩模量下新旧路基的沉降变化规律。秦子柔等[2]使用泡沫混凝土作为拓宽路基的材料，使用FLAC3D软件分析采用该方法时原路基的沉降变形规律，并与传统方法进行对比，验证了该方法的可行性。徐全亮等[3]建立了高速公路软土路基双侧拓宽的数值模型，对其进行拓宽前后的仿真计算，对其新旧路基差异沉降、侧向位移、内部应力等变化规律进行分析。王晨竹[4]以山区某拓宽高速公路为对象，利用有限元软件分析了拓宽后高速公路路面的差异沉降特性及其影响因素。刘光明[5]通过资料收集与整理，总结了软土地基公路拓宽工程差异沉降特性及常规加固措施。林同立等[6]针对广西某高速公路拓宽工程的实际情况，提出两种施工处理方案，并用FLAC3D软件进行对比分析，选出最优方案。上述研究大多基于有限元软件进行，缺少原位试验数据。本文基于上述研究，依托某高速公路拓宽路基工程，采用现场原位试验和数值仿真模拟相结合的方法，分析不同工况和不同施工阶段的新旧路基差异沉降，深入研究水泥搅拌桩和桩板结构两种软土地基处治措施的加固效果，可为后续类似工程提供一定的参考。

1 路基沉降现场监测

1.1 工程概况

某高速公路建成于20世纪90年代末期，沿线多采用黏土和粉质黏土进行填筑，由于施工和运营期养护工作得当，所以路基整体状态良好，未发生大规模沉降。检测其路面性能可知，其整体路面性能优良。但是，随着经济的快速发展，交通量的不断扩增，该高速公路的各项性能已不能满足要求，故需对对其路面进行拓宽，其结构示意图如图1所示。

拓宽工程路段为第四系松散岩层，主要是冲击、洪积物，其地层岩性主要为黏性土。现场监测试验段主要为粉质黏土，中间夹杂厚度不一的淤泥质土。上部粉质黏土中存在第四系上层滞水，其埋深受季节影响较大。

1.2 加固效果试验方案

设计使用水泥搅拌桩对拓宽路基进行处理，设置50 m长的试验段，选用水泥搅拌桩和钢筋混凝土承载力板对其路基进行处理。现场试验选用沉降板监测拓宽路基在填筑施工过程中的沉降，待上面层施工结束后，选用道钉监測路面沉降，其监测点设置如图2所示。图2（a）为路基、路面基层及中、下面层施工时的监测点位布置图，共设置6个监测点，监测点1、监测点3和监测点5位于水泥搅拌桩处理拓宽软土路基试验段，其具体监测位置分别为新旧路基交界处、拓宽路面中心线处以及拓宽路面路肩处。监测点2、监测点4和监测点6位于桩板结构处理拓宽软土路基试验段，是监测点1、监测点3和监测点5的对照组。沉降选用二等水准观测，路基填筑施工时，每两层进行一次观测；路面结构施工时，每铺设一层进行一次观测。图2（b）为路面面层施工时的监测点位布置图，共3个监测点，分别位于桩板结构试验段新旧路基交界处、拓宽路面中心线处和水泥搅拌桩试验段拓宽路面路肩处。

1.3 加固效果结果分析

图3为拓宽路基填筑期以及路面基层填筑期监测点沉降变化曲线，由图3（a）可知，在路基填筑期，选用水泥搅拌桩处理的拓宽段地基和选用桩板结构处理的拓宽段地基，其不同监测点沉降变化规律基本保持一致，随着路基填筑高度的增大而逐渐增大。两个试验段最大沉降处均为拓宽路面路肩处，水泥搅拌桩试验段最大沉降为7.0 mm，桩板结构试验段最大沉降为7.9 mm。综合分析3组相同位置的对照监测点可知，桩板结构试验段监测点沉降值均大于相同位置的水泥搅拌桩试验段监测点沉降值，主要是因为桩板结构中的钢筋混凝土板自重较大，加快了软土的固结。

由图3（b）可知，在路面基层填筑期，不同监测点沉降变化规律基本保持一致，沉降值均随着填筑高度的增大而增大，但相较于路基填筑期，其沉降值变化较小。两个试验段最大沉降处均为拓宽路面路肩处，水泥搅拌桩试验段最大沉降为7.3 mm，桩板结构试验段最大沉降为8.0 mm。综合分析3组相同位置的对照监测点可知，桩板结构试验段监测点沉降值仍然大于相同位置的水泥搅拌桩试验段监测点沉降值，但其相同位置的监测沉降值之差较路基填筑期明显减小，故可认为在此阶段，由钢筋混凝土板自重引发的土体固结已基本完成，桩板结构加固软土路基的效果开始显现。

图4为中、下面层填筑期以及上面层填筑期监测点沉降变化曲线，由图4（a）可知，在中、下面层填筑期，不同监测点沉降变化规律基本保持一致，沉降值均随着填筑高度的增大而增大。两个试验段均是拓宽路面路肩处的沉降值最大，其次为新旧路基交界处，拓宽路面中心线处的沉降值最小。水泥搅拌桩试验段最大沉降为9.2 mm，桩板结构试验段最大沉降为8.3 mm。由图4（a）可知，在中、下面层填筑后期，水泥搅拌桩试验段监测点沉降值明显增大，而桩板结构试验段监测点沉降值变化较为平稳，故水泥搅拌桩试验段监测点沉降值最终超过桩板结构试验段监测点沉降值。

由图4（b）可知，在上面层填筑期，不同监测点沉降变化规律基本一致，沉降值均随着填筑高度和观测次数的增加而增大。其中，水泥搅拌桩试验段拓宽路面路肩处沉降值最大，其沉降值增加量也最大，而桩板结构试验段两个监测点的沉降值变化相对较小。

2 地基加固效果研究

2.1 模型建立

根据依托工程实际情况，原路基宽26 m，之后在其两侧分别拓宽8 m，因其左右对称，故取一半进行建模，模型总宽度为50 m，路基高6 m，分5层填筑，路基边坡斜率为1∶1.5；取地基上层土体厚10 m，下层土体厚20 m，其网格划分如图5所示，模型四周为法向约束，底部为全约束，路基临空面不设约束。设置土体为摩尔库伦本构模型，假设新旧路基交界处为完全连续接触，使用八节点3-DSolid单元模拟。水泥搅拌桩模型和桩板结构模型均与实际工程保持一致，选用桩长12 m、桩间距为2.5 m的水泥搅拌桩和50 m×10 m×0.3 m的C30钢筋混凝土板；选用线弹性模型，设置樁周、桩底与地基土的摩擦系数为0.3；为使桩板结构变形协调，选用tie约束进行连接；其参数设置见表1。

2.2 结果分析

图6为拓宽路基施工结束后，各个模型原路基表面距离路基中心线不同位置处的附加沉降以及侧向位移。3种工况下原路面表面附加沉降和侧向位移变化规律基本保持一致，远离路基中心线处的沉降量和侧向位移值相对较大，临近处相对较小。对比3种工况可知，天然地基的沉降值和侧向位移最大；水泥搅拌桩处理后，两项监测指标值有所降低，其最大值相较于天然状态分别降低了50.17%和81.65%；而桩板结构处理后，原路基的沉降值和侧向位移有明显减小，其最大值相较于天然状态分别降低了92.59%和85.86%。

图7为拓宽路基施工完成后，各个模型地基表面距离路基中心线不同位置处的附加沉降以及侧向位移。其中，0～18 m段是从路基中心线至原路基坡脚，称其为原路基段；18～30.25 m段是从原路基坡脚到拓宽路基坡脚处，称其为新路基段；其余部分为非路基填筑段。桩板结构中钢筋混凝土板宽10 m，作用于距离路基中心线18～28 m处。由图7（a）可知，原路基段地表附加沉降在3种工况下的变化规律基本一致，距离路基中心线越远，即距离拓宽路基段越近，其沉降值越大；水泥搅拌桩处理后，地基表面沉降值明显降低；桩板结构处理效果更佳。新路基段经过水泥搅拌桩和桩板结构处理后，其地表附加沉降明显降低；受到钢筋混凝土板自重的影响，桩板结构工况下，新路基段地表附加沉降较水泥搅拌桩处治时大；非路基填筑段受影响较小。由图7（b）可知，拓宽地基经过水泥搅拌桩和桩板结构处治后，其侧向位移明显减小且桩板结构的处治效果更佳。

3 结论

本文依托某高速公路拓宽路基工程，监测采用水泥搅拌桩和桩板结构处理的拓宽路基的沉降，并分析3种拓宽路基工况变形特性，得到如下结论。

（1）路基和路面基层填筑期，桩板结构试验段受钢筋混凝土板自重的影响，其监测点沉降值较水泥搅拌桩试验段大；在中、下面层和上面层填筑期，桩板结构下方土体因板自重影响固结基本稳定，其监测点沉降值较水泥搅拌桩试验段小，桩板结构开始发挥其处治效果。

（2）根据数值仿真计算结果可知，上述3种工况下，原路面表面附加沉降和侧向位移变化规律基本保持一致，距离路基中心线越远的沉降量和侧向位移值越大，临近处相对较小；水泥搅拌桩和桩板结构均能有效降低原路基表面附加沉降和侧向位移，其中桩板结构效果更佳。

（3）上述3种工况下地基表面的附加沉降和侧向位移值主要与其所处位置有关；水泥搅拌桩和桩板结构处理地基能有效控制差异沉降和侧向变形；相较于水泥搅拌桩，桩板结构能承受更多的荷载，处治效果更佳。

4 参考文献

［1］李刚，郭艳玲.高速公路改扩建新旧路基差异沉降影响因素分析［J］.公路交通科技，2021，38（7）：22-28.

［2］秦子柔，徐永福.基于FLAC3D的泡沫混凝土密度分层对高速公路老路拓宽的影响［J］.公路，2020，65（8）：95-99.

［3］徐全亮，宋琦，刘钱.滨海软土公路路基拓宽拼接位移与应力分析［J］.公路，2019，64（10）：68-73.

［4］王晨竹.山区高速公路路基差异沉降特性分析及对策探讨［J］.山东农业大学学报（自然科学版），2018，49（5）：772-776.

［5］刘光明.软土地基市政道路加宽工程路基差异沉降特性及处治措施综述［J］.中外公路，2018，38（2）：45-48.

［6］林同立，何忠明，蔡军.改扩建高速公路路堑边坡拓宽方案对比分析［J］.矿冶工程，2014，34（6）：18-21.