路基拓宽后地基及搭接部处治技术探讨

王善来

(南通路桥工程有限公司， 江苏 南通 226008)

0 引言

随着科技进步和经济发展，高速公路已经遍布我国各大城市[1]。截止最新统计数据，我国高速公路通车里程已达13.1万公里，居世界领先地位[2]。高速公路是“十三五”规划期间最重要民生项目之一[3]。结合我国国情，高速公路建设主要包括两大途径[4]：新建高速公路和对既有线改造成高速公路。其中，路基拓宽工程就是利用既有线改建高速公路一个类别[5]。相比新建高速公路路基，新旧路基拓宽工程常面临以下核心技术难题[6]：旧路基能否满足新建路基各项设计指标要求；新旧路基搭接部处治技术；拓宽一侧路基若遇软土地基如何处治等。

目前，针对路基工程研究主要途径包括：传统经典力学理论分析、数值模拟、室内路基模型试验和现场测试数据[7]。结合传统经典力学理论对路基承载及变形特性分析，往往建立在诸多假设基础之上[8]；相比而言，结合室内路基模型研究可靠性更高，但是即便足尺路基模型，也存在地基无限域模拟问题[9]。随着科技进步及计算机水平提高，借助数值模型分析路基工作性能成为现实。数值模拟可以实现多工况分析，借助边界条件二次开发可以实现地基无限域模拟，广泛应用于路基工程分析[10]。数值模型往往考虑材料为均值属性，无法模拟地基局部土层差异及材料缺陷对计算精度影响，借助现场测试数据对比分析已经成为目前最可靠途径[11]。

刘金龙等[12]基于非线性有限元方法探讨了路基拓宽工程的基本特性；蒋鑫等[13]运用非线性有限元法，对新旧路基稳定安全性、滑动面形态、沉降、挡土墙变位等力学响应的影响开展参数敏感性分析。新旧路基拓宽工程中，工程界最关注是新旧路基差异沉降，大量工程实践和经验表明，路基拓宽工程诸多病害均与新旧路基差异沉降密切相关。齐光远等[14]借助数值模拟分析了高速公路路基拓宽不均匀沉降。以往研究成果为路基拓宽工程研究提供基础，而目前同时结合新旧路基搭接部和拓宽一侧路基处治技术分析控制效果研究较少，且已有工程经验对于搭接部铺设高强格栅及拓宽一侧路基地基打桩处治相对较少，相应也缺乏相应处治效果研究。基于此依托江广高速公路路基拓宽工程实例，首先阐述了新旧路基搭接部采用“台阶+高强格栅”及拓宽一侧路基软土地基采用“短桩+普通格栅”处治技术；然后借助数值模型及测试数据，分析了拓宽路基地基与搭接处处治技术控制效果。研究成果能够为探索新旧路基拓宽工程处治技术、承载及变形特性提供理论参考。

1 数值模拟分析

1.1 工程概况

南通 345国道北段拓宽改造工程，为老路拓宽工程，一级公路标准，设计时速100公里/小时。工程部分段落新旧路基搭接处采用“台阶+高强格栅”连接，拓宽一侧路基软土(粉质粘土，天然状态承载力110kPa)地基采用“CFG桩+普通格栅”处治。高强玻纤格栅每延米极限抗拉强度＞300kN，普通土工格栅每延米极限抗拉强度80kN。CFG桩径1m，桩间距2m，桩长6m，采用正方形布置。新旧路基拓宽连接部及地基处治方案详图1所示。

1.2 数值模型

借助ABAQUS软件建立数值模型，建立路基拓宽搭接数值模型，对路基填筑过程路基搭接处及拓宽一侧地基处治效果进行分析。为提高模型计算精度及节约计算资源，采用结构化网格及四节点实体应变缩减积分单元。模型限制地基两侧法向位移，底部采用固定约束。

数值模型建立在以下假设基础上：认为同一种材料各向均值；仅考虑重力场作用，忽略地层构造应力影响；忽略路基填筑引起地层孔隙水压力的变化，采用水土合算简化处理。

图1 路基拓宽连接及地基处治方案

为避免地基边界对计算精度影响，数值模型地基宽和高分别取100m和40m，其它尺寸详图1所示。建立后数值模型详图2所示，计算所需参数详表1所示。

图2 数值模型

表1 计算参考数据

1.3 计算结果及分析

图3为路基填筑过程中新旧路基沉降随时间变化曲线。

图3 地基沉降随时间变化曲线

由图 3可知：随路基填筑荷载逐渐增加，新旧路基沉降逐渐变大；在填筑前期，地基沉降随时间变化速率达到 2.1mm/天，主要考虑填筑荷载附件应力对地基固结速率影响；填筑后期考虑地基固结基本完成，沉降随时间发展逐渐趋于缓慢；最终稳定时，拓宽一侧新路基地基沉降 38.30mm，旧路基地基沉降 34.92mm，新旧路基差异沉降约为3.38mm。

综上可知，新旧路基沉降在路基填筑期基本完成，差异沉降3.38mm，整体较小，说明新旧路基搭接部及拓宽一侧地基处治效果较好。考虑到数值模型建立在诸多假设基础之上，仍需结合现场测试地基沉降数据进一步综合评估采空区注浆处治效果。

2 现场测试分析

结合现场埋设沉降板，测试新旧路基地基沉降随时间变化曲线详图4所示。

图4 新旧路基差异沉降测试与计算对比曲线

由图 4可知：现场测试和数值模拟新旧路基差异沉降变化趋势基本吻合，现场测试曲线平稳性高于数值模拟；现场测试新旧路基差异沉降约为 2.8mm，略小于数值计算值3.38mm，说明数值模型计算结果相对保守，偏安全。

3 结论

依托工程实例，采用数值模拟和现场测试相结合方法，对路基拓宽工程搭接部采用“台阶+高强格栅”及拓宽地基采用“桩+普通格栅”处治控制效果近似分析，主要结论如下：

(1)数值模型计算新旧路基地基沉降随时间变化呈快速、缓慢和稳定 3阶段特征；填筑前期地基沉降发展最快，速率达到 2.1mm/天；填筑后期地基沉降趋于稳定，稳定时新旧路基差异沉降3.38mm，控制在5mm以内。

(2)数值计算与现场测试新旧路基差异沉降规律基本吻合，验证了数值模型合理性；计算路基差异沉降3.38mm，大于测试值2.8，后者约为前者82.84%，说明计算结果相对偏保守。

(3)现场测试和数值计算结果均表明新旧路基差异沉降较小，说明路基拓宽工程搭接部采用“台阶+高强格栅”及拓宽地基采用“桩+普通格栅”处治控制效果较好，可将该方法推广到类似路基拓宽工程中。

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