软土地基公路改扩建沉降控制标准及方法研究

熊　伟

(湖南岳常高速公路有限公司　岳阳　414000)

软土地基公路改扩建沉降控制标准及方法研究

熊伟

(湖南岳常高速公路有限公司岳阳414000)

摘要针对软土地基公路的改扩建方式，分析了改扩建工程中路基的变形特点，从路面材料的抗拉强度考虑，利用有限元计算的方法，提出差异沉降的控制标准；根据此标准，为避免路基填土较高的段落出现纵向裂缝，提出老路基边坡处设置预应力管桩或搅拌桩等复合地基的处置方案。

关键词高速公路改扩建沉降软土地基处理

在我国尤其是东部沿海已经建成使用的公路中，有相当一部分是修建在软土地基上，由于我国东部经济的快速发展，车流量接近或超过设计的流量，需要对其进行改扩建。对这类公路的扩建加宽就必然涉及到新老公路的路堤的拼接，常用的拼接方法主要有图1的2种方式。由于原有公路路基经过多年运营，路基的工后沉降已基本完成，此时在其边坡上进行扩建加宽，新填的土方和运营后的汽车荷载必然会引起既有路基的附加沉降，在既有路堤不同位置其附加沉降量也不同，从而引起老路表面横坡的改变，该差异沉降可造成路面纵向裂缝的产生，造成路面的破坏，影响道路的服务性能[1]。

a)　完全拼接形式

b)　不完全拼接形式

在路基的拼接过程中，拼接路基宽度、路基高度、软土厚度及路基刚度等对沉降变形特性均会产生一定的影响。利用有限元的方法可以模拟施工过程中的孔隙水压力及沉降的变化。以某高速公路为例，以填高为6 m的部位为计算断面，考虑新老路基的时间差，模拟施工过程中孔隙水压力的变化，图2为地面以下3 m老路基坡脚的孔隙水压力变化，从图中可以看出在老路基施工8年后地基的附加孔隙水压力已经消散，但随着新路基的施工，地基的附加孔隙水压力也明显增加，故地基的附加沉降量也将明显增加。图3为加宽前后的沉降量变化图，由图可以看出，随着新路基的施工，老路基的附加沉降也明显增加，加宽后最大沉降量发生在新路基的形心处。

图2老路坡脚孔隙水压力的变化情况(地面下3 m)

图3路基拓宽前后的沉降量变化

1拼接段沉降控制标准研究

具有较高压实度的路基，经过长时间的运营，可近似认为是半刚性结构，当处于软基段的路堤纵横坡增大时，会引起路堤内拉应力的产生，当拉应力的值达到路堤的极限拉应力时，必将引起路堤的开裂[2]。在结构分析时，以4车道高速公路为例，路肩与路中的距离为13 m， 假定路堤为弹性力学中的平面应变体，层与层之间为完全连续，基层层底与地基顶面的竖向应力和竖向位移连续，材料参数及各结构层的厚度采用目前高速公路路基路面中的各项指标。运用有限元程序进行计算。表1列出了路基路面材料参数，以此计算了在路面结构自重及发生不均匀沉降条件下路面结构层上、下层中的应力, 其结果列于表2，分析表2可知在差异沉降2～6 cm范围内，沥青混凝土所受的力全部为拉应力, 并且水泥稳定碎石层层底的弯拉应力大于二灰碎石层层底的拉应力。这主要是由于水泥稳定碎石层的刚度大于沥青混凝土面层与二灰碎石层的刚度，由此说明不均匀沉降对路面结构影响主要是刚度较大的层次, 刚度愈大，影响愈大。为此应以水泥稳定碎石基层底的弯拉应力作为控制标准，随着不均匀沉降的增大, 基层底的弯拉应力逐渐增大。一般来说，当水泥掺量达到5%时，水泥稳定碎石90 d的劈裂强度达到0.8 MPa，沥青混凝土的劈裂强度在1.2 MPa。从路面基层的受力分析，在加宽过程中，如果不均匀沉降超过允许值，基层应最先出现破坏，继而引起沥青路面的裂缝。

表1　沥青混凝土材料参数

表2　不均匀沉降引起路面应力增加计算结果　MPa

由表2可见, 当沉降差为5 cm时, 半刚性基层底的弯拉应力为0.8 MPa，则5 cm的沉降差所引起的基层附加应力已经达到基层最大的抗拉强度，当沉降差为5 cm时, 其沉降坡差为0.04/(26/2)=0.4%，已经达到路面基层的最大抗拉强度。当路面的沉降差为6 cm时，其基层的拉应力为0.83 MPa，略大于基层的抗拉应力。故在进行老路基加宽时，应以横坡的改变量作为控制标准，保证其工前及工后的横坡改变量在0.4%以内， 即在施工过程中，为保证老路基不出现纵

向裂缝，应控制其横坡改变量小于0.4%。

2老路边坡软土地基处理方法

软土地基上高速公路扩建工程中，拓宽路堤的填筑将会引起老路不同位置的附加沉降量，即使软土较薄，也会引起老路基较大的附加沉降量，可能导致路面的横坡比改变值超过路面结构抗拉应力的容许值所对应的差异沉降量，从而引起路面结构性破坏和路面服务性能的降低。故拓宽部分路堤施工中应该选取合理的软土地基的处理方法，并根据需要选择新老路堤接合部处治措施，以减少新路路堤填筑引起的老路堤的附加差异沉降。在常用的软土地基处理中，对于软土厚度较薄且处于表层的软土，一般采用换填的方法，而对于软土较厚的段落，则采用搅拌桩及管桩的复合地基处理方法，在高速公路建设中，对于软土厚度小于15 m的段落采用搅拌桩处理，对于软土厚度大于15 m的段落采用预管桩处理。

随着路基填高的增加，作用于老路边坡上新路基的荷载也逐渐增加，该荷载容易引起老路横坡的明显改变，特别是加宽部分的形心位置，其沉降量最大。为减少老路基横坡的过大改变量，应在新路基填筑到一定高度时在老路的边坡上进行管桩或搅拌桩的施工，见图4。

图4　老路边坡管桩位置示意图(单位：cm)

在老路边坡上设置了管桩后，可有效减少地基的总沉降量及老路横坡的改变量。图5为路基高度8 m,软土厚度为6 m时在老路边坡上是否设置管桩的沉降曲线图,从图中可以得出，老路边坡设置了管桩后，可有效减小新加宽路基的沉降量及老路横坡的改变量。所以，对于路基较高的段落,应根据计算的结果，在老路边坡上设置管桩或搅拌桩,以减少老路横坡改变量的发生,不能因为边坡上管桩或搅拌桩施工困难而不设老路边坡预应力管桩或搅拌桩。

图5　老路边坡设置管桩前后的沉降图

3结论

(1) 根据半刚性基层的变形特点，提出在公

路改扩建的过程中，应以横坡的改变量作为控制标准，使其工前及工后的横坡改变量在0.4%以内，避免纵向裂缝的发生。

(2) 对于路基较高的软土段落，应根据计算的结果，设置老路边坡上的管桩或搅拌桩，以减少老路横坡改变量的发生，绝不能因边坡上管桩或搅拌桩施工困难而不设预应力管桩或搅拌桩。

参考文献

[1]徐泽中.沪宁高速公路路基拓宽综合处理技术研究[D].南京:河海大学，2004.

[2]周虎鑫.高等级公路工后不均匀沉降指标研究[J].东南大学学报,1996,26(1):54-56.