软土地基上高速公路路基扩建加宽中的关键问题

刘科　曾琨

摘要 高速公路路基扩建加宽过程中经常面临软土地基，软土地基较低的承载强度及抗变形能力极容易造成新、旧路基差异性沉降，对后续行车安全性造成严重威胁。针对软土地基公路路基加宽沉降特性分析有助于优化路基加固方案设计，确保公路使用性能。文章依托四川省内某高速公路软土路段路基加宽改造工程开展ABAQUS有限元分析，重点对未加固、水泥搅拌桩复合地基加固的整体沉降响应进行有效评估，研究结果表明，未加固新旧路基加宽施工阶段，新、旧路基存在施工荷载导致的不均匀沉降，且路基顶面最大竖向、水平位移分别存在于新、旧路基衔接处及新路基中心处；水泥搅拌桩加固下的新、旧路基变形得到有效加固，路基沉降差异随桩长增大而减小。

关键词 公路路基；软土地基；沉降特性；加宽改造

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0123-03

0 引言

随着高速公路建设规模的不断扩大，汽车通行数量逐步增多，既有公路扩建加宽工程建设成本相对较低，施工期间较短，能够有效缓解交通压力，提升交通服务水平。在高速公路路基加宽过程中经常面临软土等复杂地基环境，这不仅容易增大新、旧路基不均匀沉降，后续产生的路基病害也会弱化新、旧加宽路基整体使用稳定性。新、旧路基加宽沉降受到新旧路基施工填筑工艺、填筑材料及土层特性的影响，开展新旧、路基加宽阶段沉降特性的研究能够为路基加固方案优化提供理论支撑，具有重要社会经济效益。

1 高速公路软土地基加固方法

1.1 加固桩法

水泥搅拌桩法为公路软土地基加固常用技术，可分为粉喷成桩法和浆喷成桩法。粉喷成桩法一般适用于软基深度不大于12 m的情况，浆喷成桩法普遍适用于软基深度20 m以内的软土地基加固中。两种方法都是以水泥作为主要固化剂，通过搅拌桩机将水泥喷入软土中，促使水泥、软土之间产生一系列水化反应，提升复合地基承载强度和抗变形能力。水泥搅拌桩桩身强度、桩位布置、水泥掺加量等指标需要通过室内试验来确定，可与其余工程同步施工[1]。

1.2 排水固结法

软土地基排水固结法包括荷载加压系统和排水系统两部分。排水固结法主要在软土地基内部构建渗水通道，通过路基上覆填土自重堆载预压作用，快速排出软土地基内部水分，加快软土地基的固结沉降。在堆载预压过程中，超孔隙水压力在排水通道排水过程中不断减小，土体的有效应力逐渐增大，软土地基最终具备良好的沉降稳定性和强度。排水固结法施工简洁，原位土体状态扰动幅度较小，施工成本低，但是施工周期相对较长，加固范围较小，排水效率受排水板质量、软土渗透系数、地下水位分布等影响较大，该法主要适用于工期较为宽松的地基处理中。

2 工程概况

四川省某高速公路穿越大范围山区环境，设计里程50 km，沿线分布有大面积软土地基，公路设计路面宽度24 m，双向四车道，设计车速80 km/h，沥青路面结构层设计。随着该公路交通量的不断增大，超载、重载车辆通行量不断增多，公路服务水平已难以满足既有交通量需求。项目组拟对该公路进行扩建加宽为双向八车道，试验段（K5+200～K6+200）主要为填方路基，路基高程变化较为平缓。经现场地质勘察资料表明，地基土层岩性如下所示：首层为素填土，松散、较湿，厚度1～1.5 m；第二层为淤泥质黏土，含水量较大，呈软塑状，压缩系数较大，层厚4～8 m；第三层为粉质黏土，软塑状，压缩性大，厚度5～8 m；第四层为砂土，中密，压缩性较低，含水量较大，粉土含量较高，层厚6～10 m。现场主要采取旧路基两侧直接拼宽方案，即在旧路基外侧开挖台阶、紧贴边坡填筑新路基，新、旧路基在试验路段的平均填筑高度为8 m，均采取软土填筑材料，旧路基两侧各加宽9 m，加宽后路面总宽度达到了42 m。考虑到旧路基运行时间较长，地基沉降变形已经较为稳定，软土地基上新建路基和旧路基在施工荷载下极容易出现差异性沉降，引发结构内部应力不均衡导致的路基沉陷、开裂等病害[2-3]。为有效确保路基扩建加宽效果，项目采取水泥搅拌桩地基加固措施进行沉降控制，强化路基的稳定性和一体性。

3 有限元分析

3.1 材料参数

项目主要选取典型断面K5+500构建ABAQUS2d有限元模型，对路基沉降特性进行平面分析。为避免模型尺寸造成的边界效应，二维地基模型横断面尺寸宽度80 m×高度20 m，路基填筑高度设计为8 m，扩建后整体路基顶面宽度42 m，底面宽度66 m，路基边坡坡度1∶1.5。路基施工填筑材料及软土地基均采取摩尔－库伦弹塑性模型，新、旧路基接触面不出现滑移，完全连续，不考虑地下水位影响。土体材料、垫层、土工格栅、水泥搅拌桩、路面结构材料均为均质材料，采取线弹性模型模拟，材料参数如表1所示[4]。

3.2 荷载施加

项目主要对扩建加宽路基进行沉降特性的加固效果对比分析。为简化模型计算过程，新、旧路基同层填筑軟土性质保持一致，采取二维平面模型分析时，模型单元均采取四边形网格划分，填筑路基则采取8节点四边形单元CPEBR划分，地基土则采取八节点四边形单元CPE8RP划分。计算模型水平边界需要固定水平位移，底部边界则需要固定双向位移，顶部边界不固定双向位移。模型荷载施加需要反映出实际施工情况，模型构建完成后需要先实现旧路基、地基的初始应力平衡，后续激活新路基荷载单元，逐级施工新路基填筑荷载及路面荷载，新路基单次填筑高度2 m，共分4次施工结束。由于新、旧衔接路基整体表现为对称，项目取模型一半进行沉降特性分析，未加固模型构建如图1所示[5]。当采取水泥搅拌桩加固软土地基时，进行路肩削坡及开挖台阶拼接处理之后，需要在新路基填筑高度2 m处构建相应水泥搅拌桩模型，桩设计直径0.4 m，初步设计桩长10 m，桩间距2.0 m，桩顶位置需要构建40 cm厚度的碎石垫层，碎石垫层内部距离搅拌桩顶20 cm位置设置土工格栅。其中，旧路基开挖台阶高度为2 m，宽度为2 m。

4 路基变形分析

4.1 未加固

该高速公路试验路段的交通量不断增大，导致公路段面需要扩建加宽，旧路基在长时间运行下的整体沉降基本已经达到稳定状态，而新路基填筑施工需要在旧路基上进行削坡及台阶开挖，这会导致新路基填土、后续行车荷载对旧路基产生一定的附加荷载，且不同位置的路基沉降差异性较大，不仅弱化了公路服务水平，而且易造成路基开裂等病害。在上述计算模型基础上，通过对新路基不同填筑阶段路基顶面关键位置的沉降监测获取图2所示变形发展规律。结果表明，新、旧路基不同位置的沉降变形具有明显不均匀性，新路基填土荷载作用下，新、旧路基沉降差最大值出现在新、旧路基拼接结合位置；此外，新路基填筑施工不同阶段的路基沉降变形随距中心线变化规律具有一致性，均表现为反弯状，路基中心线位置处存在略微隆起（＜20 mm），新、旧路基衔接位置最大沉降变形随填筑施工时间的延长而不断增大，新旧路基沉降差也随着填筑高度及施工时间的增大而增大[6]；沉降最大位置逐渐由新路基向旧路基靠近；工后15年的沉降路基最大值达到了67 mm。

图3为不同施工阶段路基顶面关键位置的水平位移随距离变化发展，结果表明，不同施工阶段的新、旧路基衔接结合位置处存在不同向的水平位移，旧路基存在向左侧的水平位移，新路基存在向右侧的水平位移。该位移分区较为明显地处于新旧路基衔接位置处，当水平位移过大时，则会造成新旧路基横向脱离，上部路面结构会产生明显开裂裂缝[7]；扩建后边坡外侧水平位移随着填筑高度的增大而增大，该处的水平位移最大，为20 mm。

图3 路基顶面水平位移随距离分布

4.2 水泥搅拌桩加固分析

路基填土特性、施工工艺及地基土层岩性对扩建加宽路基沉降、水平位移影响较大，此外，加固方案设计参数不同也会具有不同加固效果，项目组采取水泥搅拌桩进行路基加固需要合理确定相关设计参数，通过改变水泥搅拌桩桩长10 m、11 m、12 m，构建相应计算模型，获取工后15年路基顶部关键位置沉降及水平位移，如图4所示。结果表明，路基表面沉降随着桩长的增大而不断减小，桩长在11～12 m变化时，沉降控制效果并不明显，由此可见，桩长存在临界值，临界桩长下的路基加固较为经济；随着桩长的增大，路基水平位移最大值逐渐减小；10 m桩长下路基工后15年的水平位移相对较大，但是不同桩长下路基最大水平位移差异较小（＜3 mm）。结合实际建设环境及施工成本，项目组确定合理的水泥搅拌桩桩长为10 m。

5 结语

软土地基下新、旧路基扩建加宽需要重点分析其不均匀沉降。影响公路加宽路基沉降因素相对较多，通过对其变形发展特性的研究有助于合理选取加固方案，确保公路路基使用质量。该文依托四川省内某高速公路软土路段典型断面开展ABAQUS2d有限元变形特性分析，对水泥搅拌桩加固方案不同设计参数下的加固效果进行评估，得出以下结论：路基顶面最大竖向、水平位移分别存在于新、旧路基衔接处及新路基中心处；路基沉降差异随桩长增大而减小，10 m桩长为设计临界值。希望该文所做研究能够为类似工程建设提供一定参考。

参考文献

[1]李倩， 蒋玉飞， 吴志刚. 基于土工格栅加筋优化技术的高速公路路基加宽技术研究[J]. 公路工程， 2020（2）： 147-151.

[2]李芬， 刘惠， 王作君. 装配式组合加宽公路路基稳定性研究[J]. 中外公路， 2021（1）： 12-16.

[3]胡正河. 公路加宽分部填筑路基沉降特性及差异沉降控制技术研究[J]. 交通世界， 2022（12）： 104-106.

[4]駱中斌， 靳媛媛， 史恒， 等. 双车道公路及立交匝道的曲线段路面加宽研究[J]. 中外公路， 2021（4）： 84-89.

[5]冯忠居， 陈锦华， 刘星越， 等. 高速公路改扩建旧桥加宽桩基础差异沉降控制离心模型试验[J]. 长安大学学报：自然科学版， 2022（2）： 1-9.

[6]聂鹏飞， 丁亚碧， 赵兵，等.高速公路改扩建工程地基拓宽段力学响应分析[J]. 公路， 2019（2）： 39-44.

[7]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（10）： 68-73.