高速公路软土路基沉降变形及加固措施优化的数值模拟研究

王福满　孙珂　胡志文

摘要 为研究高速公路软土路基沉降变形及加固措施优化，文章以山东某高速公路为背景，基于数值模拟软件，分析不同水泥搅拌桩的弹性模量、桩长、路堤施工间隔时间等条件下路基顶面沉降量的变化规律，最后比较三种因素对路基中心处沉降量的控制效果及性价比。研究结果表明：（1）水泥搅拌桩的弹性模量越大、桩长越长、路堤施工间隔时间越长、距路基中心线距离越远，路基顶面沉降量越小；（2）增大弹性模量、增大桩长、增加施工间隔时间对沉降控制效果平均为6.24%/20 MPa（以水泥搅拌桩的弹性模量为80 MPa为基准，弹性模量每增大20 MPa，路基顶面沉降量减小6.24%）、17.39%/2 m（以水泥搅拌桩的桩长8 m为基准）、6.48%/10 d（以路堤施工间隔10 d为基准），说明桩长的性价比最高，因此首先考虑增大桩长的方案。

关键词 高速公路；软土路基；数值模拟；水泥搅拌桩；加固措施优化

中图分类号 U416文献标识码 B文章编号 2096-8949（2024）12-0139-03

0 引言

随着我国经济的飞速发展，部分城市道路逐渐趋于饱和。为满足日常需求，避免交通堵塞，需加快基础交通设施的建设[1]，但在道路施工过程中需额外注意路基沉降及加固问题。路基沉降会导致路面局部塌陷、路面裂缝等病害发生，严重影响行车安全，缩短道路使用寿命[2]。因此，亟需开展路面沉降变形及加固措施的优化研究。

目前，国内外学者分别从不同角度对路面沉降变形及加固措施开展了一系列研究，张建[3]基于PLAXIS有限元软件，阐述了水泥搅拌桩、CFG桩、预应力混凝土桩等加固方案的工程特点，并研究了CFG桩桩间距、桩长对软土路基沉降的控制效果；郭昌龙[4]基于数值模拟软件，研究了水泥搅拌桩对软土路基沉降量的影响，并分析了水泥搅拌桩桩体模量、桩间距等参数对沉降控制效果的影响；尧强[5]阐述了土工格栅的加固机理，并对土工格栅的施工技术要点进行了研究；曹征磊[6]总结了常用的公路软土路基处理技术，对每种技术提出了相应的质量控制措施；张佳佳[7]分析了高压旋喷桩技术对高速公路软弱路基沉降的控制效果，并研究了土体压力、孔隙水压力、位移等变化规律。综上所述，软土路基易发生沉降病害，施工过程中应执行科学合理的路基加固方案，但对软土路基加固方案的优化研究较少。

鉴于此，该文以山东某高速为研究背景，基于FLAC3D有限元软件，研究水泥搅拌桩的物理力学参数及路堤分层铺设等对路基顶面沉降量的影响，最后分析不同水泥搅拌桩的弹性模量、桩长、路堤施工间隔时间等三种因素，对路基中心处沉降量的控制效果，比较其性价比，为工程路基加固方案的优化提供依据。

1 工程概况

拟建道路地处黄河冲积平原，上部地层整体土质偏软。根据地质钻探揭露情况，沿线一定线路范围内局部存在物理力学性质不均一、土质较差的软弱土层，多呈透镜体状零星分布，软土的埋深不一；多为灰黑色、灰褐色、浅灰色的黏土、粉质黏土、粉土；呈软塑-可塑状态，具有干强度较低、韧性较差、局部有机质含量较高、物理力学性质不稳定、压缩性高等特点；压缩系数为0.45～0.70 MPa?1，孔隙比为0.95～1.20，天然含水率大于35%。

2 数值模型的建立

该文以山东某高速为研究背景，基于FLAC3D有限元软件，由于道路为对称结构，选取右侧建立数值模型。模型由路面、路堤、沙垫层、土工格栅及粉质黏土层等组成，如图1所示。

由图1可知，路面宽为18 m，路堤坡度为1∶1.5，路堤高为5 m；路堤与粉质黏土地基之间铺设0.5 m厚的沙垫层，沙垫层下方铺设0.5 m厚的土工格栅，间隔0.5 m铺设第二层0.5 m厚的土工格栅；第二层土工格栅下方设置长为8 m、桩径为0.5 m、间隔为1.5 m的水泥搅拌桩群；粉质黏土地基由3种不同性质土层组成，地基长为50 m，高位为20 m，粉质黏土1高度设置为3 m，粉质黏土2高度设置为7 m，粉质黏土3高度设置为10 m；路堤分4层铺设，相邻层间的铺设间歇为10 d。模型结构具体物理力学参数如表1所示。

3 结果分析

3.1 水泥搅拌桩模量的影响

为研究水泥搅拌桩模量对路基沉降的控制效果，该文设置了4种模量梯度：80 MPa、100 MPa、120 MPa、140 MPa，其余数据不变，得到沿路基顶面沉降量随弹性模量变化如图2所示。

由图2可知，路基顶面沉降随着距路基中心线距离的增大而逐渐减小。弹性模量为80 MPa时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从10.15 cm减小到4.98 cm，减小了50.94%；弹性模量为100 MPa时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从9.36 cm减小到4.51 cm，减小了51.82%；弹性模量为120 MPa时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从8.91 cm减小到4.36 cm，减小了51.07%；弹性模量为140 MPa时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从8.68 cm减小到4.14 cm，减小了52.30%。随着弹性模量的增大，路基顶面各点沉降量在逐渐降低，如距路基中心线距离为10 m，弹性模量80 MPa、100 MPa、120 MPa、140 MPa对应的沉降量分别为8.63 cm、8.03 cm、7.68 cm、7.38 cm。弹性模量的沉降控制效果在逐渐减弱，如路基中心处，沉降控制效果大小为3.89%/10 MPa（弹性模量为100 MPa）＞3.05%/10 MPa（弹性模量为120 MPa）＞2.41%/10 MPa（弹性模量为140 MPa），发现弹性模量为100 MPa较80 MPa的沉降控制效果明显，但与120 MPa、140 MPa的沉降控制效果差别不大，故弹性模量应选取100 MPa。

3.2 水泥搅拌桩长度的影响

为研究水泥搅拌桩长度对路基沉降的控制效果，该文设置了4种长度梯度：8 m、10 m、12 m、14 m，其余数据不变，得到沿路基顶面沉降量随桩长变化如图3所示。

由图3可知，路基顶面沉降随距路基中心线距离的增大而逐渐减小。桩长为8 m时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从10.15 cm减小到

4.98 cm，减小了50.94%；桩长为10 m时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从8.47 cm减小到3.79 cm，减小了55.25%；桩长为12 m时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从6.55 cm减小到2.62 cm，减小了60.00%；桩长为14 m时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从4.71 cm减小到2.19 cm，减小了53.50%。这说明桩长对沉降量的控制效果显著，桩长14 m方案较桩长8 m方案对路基顶面0～18 m沉降控制效果更好。随着桩长的增大，路基顶面各点沉降量在逐渐降低，如距路基中心线距离为10 m，桩长8 m、10 m、12 m、14 m对应的沉降量分别为8.63 cm、7.17 cm、5.57 cm、3.82 cm，其余3种方案较桩长8 m方案，沉降量分别减小了16.92%、35.46%、55.74%。说明桩长较弹性模量对路基顶面沉降控制效果更显著。

3.3 路堤施工间歇时间的影响

为研究路堤施工间歇时间对路基沉降的控制效果，该文设置了3种间歇时间梯度：10 d、20 d、30 d，其余数据不变，得到沿路基顶面沉降量随施工间歇时间的变化如图4所示。

由图4可知，路基顶面沉降随距路基中心线距离的增大而逐渐减小。施工间隔时间10 d时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从10.15 cm减小到4.98 cm，减小了50.94%；施工间隔时间20 d时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从9.47 cm减小到4.5 cm，减小了52.48%；施工间隔时间30 d时，距路基中心线距离从0 m增大到18 m，路基顶面沉降量从8.88 cm减小到4.18 cm，减小了52.93%；说明施工间隔时间对路基顶面距路基中心线距离0 m到18 m沉降量的控制效果显著。随着施工时间间隔的增大，路基顶面各点沉降量在逐渐降低，如距路基中心线距离为10 m，施工间隔时间10 d、20 d、30 d对应的沉降量分别为8.63 cm、8.07 cm、7.61 cm。

3.4 加固措施优化

该文研究了水泥搅拌桩弹性模量、桩长、路堤施工间隔时间对路基顶面沉降量的影响，发现三个因素与沉降控制效果均有不同程度的正相关性。为便于选出适合该项目的最优方案，以路基中心处沉降控制效果为研究对象，三个因素的控制效果如图5所示。

由图5可知，弹性模量每增大20 MPa，沉降量减小率分别为7.78%、6.11%、4.83%；桩长每增大2 m，沉降量降低率分别为16.55%、17.74%、17.87%；施工间隔时间每增大10 d，沉降量降低率分别为6.70%、6.26%；说明桩长在这三因素里的性价比最高，因此在进行沉降控制措施优化时，应首先考虑桩长增大的方案。

4 结语

该文以山东某高速为研究背景，基于FLAC3D有限元软件，研究水泥搅拌桩的弹性模量、桩长、路堤施工间隔时间等对路基顶面沉降量的影响，最后分析三种因素对路基中心处沉降量的控制效果，比较其性价比，得到如下主要结论：

（1）路基顶面沉降量随弹性模量、桩长、施工间隔时间的增大在逐渐降低。

（2）从路基顶面中心处到路基边缘，弹性模量导致的沉降量减小率分别为50.94%（80 MPa）、51.82%（100 MPa）、51.07%（120 MPa）、52.30%（140 MPa）；桩长导致的沉降量减小率分别为55.25%（10 m）、60.00%（12 m）、53.50%（14 m）；施工间隔时间导致的沉降量减小率分别为52.48%（20 d）、52.93%（30 d）。

（3）弹性模量每增大20 MPa，沉降量减小率分别为7.78%、6.11%、4.83%；桩长每增大2 m，沉降量减小率分别为16.55%、17.74%、17.87%；施工间隔时间每增大10 d，沉降量减小率分别为6.70%、6.26%。

（4）在进行沉降控制措施优化时，应首先考虑桩长增大的方案。

参考文献

[1]赵志斌. 公路软土路基施工注意问题及改进措施[J]. 交通世界， 2019（7）： 78-79.

[2]李平. 高速公路工程施工中的软基处理关键技术[J]. 交通世界， 2019（Z1）： 98-99.

[3]张建. 基于有限元法的公路软土路基加固处理及沉降分析[J]. 交通世界， 2023（30）： 104-106.

[4]郭昌龙. 高速公路软土路基处理措施研究[J]. 工程技术研究， 2023（23）： 61-63.

[5]尧强. 土工格栅复合碎石垫层在高速公路软基处理中的应用[J]. 工程建设与设计， 2023（21）： 128-130.

[6]曹征磊. 公路软土路基处理技术及质量控制探析[J]. 交通世界， 2019（11）： 79-80.

[7]张佳佳. 旋喷桩加固软土路基的沉降变形特性试验研究[J]. 交通世界， 2019（8）： 32-33.