水泥桩软土路基路堤沉降分析

梁殷豪

摘要：软土地基公路的沉降通常与水泥搅拌桩处理位置的不同有关。文章采用有限元方法对既有道路边坡、既有路基、新建路堤下的桩基对路基和地基沉降特性的影响进行模拟分析；以北方某高速路改扩建工程为例，重点研究桩长、桩间距对路基及地基沉降的影响。研究结果表明，既有路基和新路堤下的桩基对沉降的影响比既有道路边坡下的桩基更显著。此外，在既有道路边坡、既有路基和新建路堤下，随着桩距的增加，路基和地基沉降也逐渐增加，当桩间距从桩直径的200%增加到400%时，边坡的地基面最大沉降从1.76 cm增大到1.85 cm，原有路基和新路堤的地基面从1.44 cm增大到1.96 cm；随着桩长的增加，路基的基础沉降减少，当桩长从4.7 m增加到9.7 m，旧路基表面工后最大沉降由-6.2 cm降低到-5.3 cm。

关键词：水泥搅拌桩；软土路基；沉降分析

中图分类号：U416；TU471  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）03-0080-04

0 引言

公路的重建和扩建通常穿过软土区域，软土具有天然含水量和压缩性高、承载力低的特点。软土区域的公路经过多年运行，旧路基的物理性能和力学性能与新路基有很大差异，这种差异导致沉降的差别极大，给加宽的路基和路面带来额外压力［1］。因此，软土基础处理是目前工程界关注的焦点。

基于厚软土地基的特性，公路改扩建工程常在路边旧边坡上铺设加固桩，以减少拓宽路基的不均匀沉降。江振华等［2］在广三高速路改扩建工程研究中，比較新路基桩处理和新旧路基同时桩处理两种桩处理方式加宽路基后的沉降特性，分析轻质路堤填料对路基沉降的影响。秦立朝等［3］研究沪宁高速镇江段扩建段新老路基在粉喷桩（坡上和非坡上）作用下的变形对桩长、桩距和侧摩阻力的影响。目前的研究一般将边坡桩和新老路基桩联合考虑，缺乏对边坡桩和非边坡桩的单独研究。为填补前人研究空白，本文以北方高速路改扩建工程为案例进行有限元数值模拟，比较水泥搅拌桩不同长度和距离下既有路面坡度、既有路基和新路堤情况下的沉降特性，研究结果可为今后的路基拓宽工程提供参考。

1 路基有限元模型

为模拟路基路面的整体结构，本研究做以下假设：①路基和地基土为均质、连续、各向同性的弹塑性材料；②将材料屈服准则与Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型相结合，形成本构土模型；③路基与地基土的接触是连续的，完全黏结；④新老路基在施工过程中不发生相对滑移；⑤基础左右两侧受水平约束，基础底部受水平和垂直约束；⑥只有基础表面有排水；⑦路面荷载相当于1m高填荷载，车辆荷载相当于均匀分布的10 kPa荷载。

本案例的旧路基高3.47 m，宽28 m，填充物为粉质黏土，具体工程设计如图1所示。在两侧加宽7 m后，新路基高度为4.1 m，填充石土。新老路基的坡度比为1∶1 .5。地基宽度和深度分别为29.15 m和20 m，其中沙垫层为0.5 m，泥质黏土层为7.2 m，黏土层为12.3 m。此外，基础水位于基础表面以下1 m处。考虑到双面加宽路基的对称性，本工程采用一半的计算面积。根据《软土地基上公路路堤设计与施工技术规范》中的要求，加筋土桩的直径不应小于0.5 m，相邻桩之间的距离不应大于桩直径的4倍［4］。

2 路基沉降计算结果

2.1 不同桩距下沉降的对比分析

在既有道路边坡下，设定桩长为10.7 m，在既有路基和新路堤下，设定桩长为7.2 m。为分析高速路改扩建工程中水泥搅拌桩间距对新旧路基沉降的影响，本案例研究以下两种情况：①既有道路边坡下水泥搅拌桩的桩间距固定为桩径的300%，既有路基下水泥搅拌桩和新建路堤下水泥搅拌桩的桩间距则不相同，分别为桩径的200%和400%。②既有路基和新路堤下水泥搅拌桩的桩间距固定为桩径的300%，对于分层填筑完工时对应的路基沉降，只需考虑填土荷载的附加效应，在施工后期则需考虑路面荷载和车辆荷载的附加效应。

图4为不同桩距下高速公路加宽路基表面分层沉降情况。当新路基填满1 m时，老路呈现抬升趋势，老路中心处抬升幅度最大。当填充高度增加到3 m时，旧路基面呈“反挠曲盆地”形状，旧道路中心再次出现最大抬升。随着与老路中心距离加大，老路面上各点抬升量逐渐减小，在距离老路肩1.3 m处抬升量为0。进一步增加与老路中心的距离会导致高速公路路基逐渐沉降［5］，在旧路肩处达到最大沉降。旧路面最大沉降量随既有路面桩间距的增大而增大，特别是在充填高度为3 m时，最大沉降值由0.33 cm增加到0.38 cm，因此高速路改扩建工程中应控制填充高度。同时，高速公路旧路面最大沉降量在既有路基和新路堤下也有相同趋势，在3 m填筑高度处由0.27 cm增加到0.38 cm。随着新路基荷载的增加，路基高度达到4.1 m，加宽路基的地表沉降逐渐形成“挠曲”形状，其中旧道路中心沉降最大。随着与旧路中心距离的不断增加，加宽路基的地表沉降逐渐减小，表明高速路改扩建工程不会对新路基产生影响。

图5为高速路改扩建工程中新路基完成后旧路基表面的沉降情况。完工时，旧路基中心在所有情况下均出现抬升现象，抬升沉降分界点发生在旧路肩内侧3 m处。越靠近分界点，抬升值越小，越靠近旧路肩，沉降值越大，在老路肩处沉降达到最大值1.16 cm，进一步表明高速路改扩建工程中旧路基沉降值较大，需要采用水泥注浆等方式防止旧路基发生较大沉降。桩间距与旧路地表沉降呈显著正相关关系，桩间距越大，沉降增加越大。随着原有路基和新路堤桩距的变化，高速公路旧路面的最大沉降从0.8 cm增加到1.16 cm，而在原有道路边坡下，最大沉降从0.92 cm增加到0.98 cm。图6为不同桩距下路基面相对于旧道路中心的工后差异沉降曲线，可以观察到曲线呈“倒钟形”分布；加宽路基越靠近新路肩，沉降差越大；新路肩处的沉降差最大。对比高速路改扩建工程前原有路基和新建路堤下坡桩间距变化，可以发现随着桩间距的变化，拓宽路基面最大差分沉降量分别由1.36 cm提高至1.51 cm，由此判断高速路改扩建工程中需要加固旧路基面。

高速路改扩建工程新路基竣工后，新老路基发生了不同程度的变形，如图7所示。既有道路边坡下或既有路基与新路堤下桩间距的变化并未影响地基沉降。总体上，老路基中心处地基呈抬升趋势，靠近加宽侧地基沉降。隆起沉降的拐点位于旧路基趾部内侧6 m处，高速路改扩建过程中地基沉降在新旧路基交界处最大，在新路基脚处逐渐减小，随后抬升。随着桩间距从桩直径的200%增大至400%，坡面的地基面最大沉降由1.76 cm增大到1.85 cm，原有路基和新路堤的地基面最大沉降由1.44 cm增大到1.96 cm。圖8为高速路改扩建工程完工15年后，新旧路基下不同桩距相对于旧道路中心基础的差异沉降曲线。随着与老道路中心距离加大，新老路基下基础的工后差异沉降量先增大后减小，最后呈逐渐增大的趋势。最大差异沉降集中在靠近旧路坡脚处。同时，高速路改扩建工程完工后地基表面最大差沉降分别从1.63 cm变化至1.84 cm。

2.2 不同桩长下沉降的对比分析

为综合分析水泥搅拌桩长度对高速路改扩建工程新旧路基沉降的影响，本案例采用以下2种条件 ：①泥质黏土处边坡桩长保持不变（7.2 m），既有路基和新路堤下基础桩长变化（4.7 m、7.2 m、9.7 m）。②既有路基和新路堤下基础桩长保持不变（7.2 m），泥质黏土处边坡桩长变化（4.7 m、7.2 m、9.7 m）。当分层填筑完工后路基发生沉降时，只需考虑填土荷载的附加效应，而对于工后路基沉降则需考虑路面荷载和车辆荷载的附加效应。

图9为既有路基和新路堤下桩长为4.7 m时加宽路基截面沉降变化情况。无论是改变边坡桩长，还是改变原有路基和新路堤下的桩长，高速路改扩建工程前后路基地表沉降的变化趋势都一致。当高速公路新路基填筑高度较低时，旧路面抬升；当填筑荷载增加时，旧路面开始下沉，旧路肩处的沉降最大；停止新路基土荷载后，旧路中心沉降最大，新路肩沉降较小。

图10为不同桩长下旧路基表面工后沉降情况。改变桩长（既有路基和新路堤下的边坡桩）不影响旧路基表面抛物线沉降曲线形状，但会改变旧路基施工后表面的最大沉降值，因此高速路改扩建工程中应注意桩长的具体位移。将原有路基和新路堤下的桩长从4.7 m提高到9.7 m，使旧路基表面工后最大沉降由-6.2 cm降低到-5.3 cm，可进一步降低高速路改扩建工程中路基的沉降。

3 结论

本文采用有限元数值模拟方法，分析某高速公路拓宽工程软土基础搅拌桩不同位置下路基和地基的沉降特征。根据研究结果，可以得出以下关键结论。

（1）高速路改扩建工程中既有道路边坡和既有路基与新路堤下的路基沉降均随桩距增大而增大，因此高速路扩建时，应保证桩距不能过大。鉴于既有路基和新路堤下的桩距对沉降的影响大于既有路坡的影响，高速路改扩建时，需着重关注既有路基和新路堤的沉降，可以通过水泥灌浆等方式减少其沉降。

（2）既有道路边坡、既有路基和新路堤下路基的基础沉降随桩长增大而增大，但既有路基和新路堤下的桩长对沉降的影响比既有路坡下桩长对沉降的影响更为显著，因此高速路改扩建工程中要着重对既有路基和新路堤进行处理。

4 参考文献

［1］孙玉洁.软土地区水泥土搅拌桩路基长期沉降特性的数值分析［J］.中国水运（下半月），2022，22（7）：117-119.

［2］江振华，杨东兴，杨志伟，等.拓宽深厚软基区道路桩长优化分析［J］.山东交通学院学报，2021，29（3）：71-78.

［3］秦立朝，杨素娟，徐国元.泡沫混凝土的强度特性分析及在路堤填筑中的沉降数值模拟［J］.公路工程，2018，43（1）：281-285.

［4］王艳芳，周治刚，徐宏.软基低路堤下小型构筑物路基纵向差异沉降控制研究［J］.中外公路，2011，31（4）：22-26.

［5］俞锡健，何连生，徐啸海，等.铁路软土路堤地基后期沉降的研究［J］.路基工程，1995（1）：13-18.