全风化花岗岩路基改扩建差异沉降处治分析

张 军，黄 淼，李友云，任贵政，谢继登

(1.湖南省莲株高速公路建设开发有限公司，湖南 株洲 412000；2.湖南省官新高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙 410000；3.长沙理工大学，湖南 长沙 410114)

0 引言

对于复杂地质条件(软土、全风化花岗岩等地质)和不良路基填料等情况下低等级公路升级改造成高等级公路的工程，为减小新老路基差异沉降，应根据工程实际，合理进行处治。国内有很多专家学者通过理论研究、模拟实验与数值模拟等手段对新老路基差异沉降的相关问题进行了研究。孟学清[1]从路基拓宽工程出发，对高速公路拓宽路基差异变形机理及处治方法进行了分析。李晓[2]等利用FLAC3D软件建模，研究了山区公路拓宽工程中新老路基相互作用下的变形规律。翁效林[3-5]等通过土工离心试验模型，对不同工况下的新老路基处置技术进行了系统研究，将有限元用于工后沉降预测。南秋彩[6]建立典型拼接路面结构的三维模型，研究拼接处受力状态，给出了道路扩建工程中宽度和路面设计大量的建议。杨广庆等[7]通过有限元方法对开挖台阶、(开挖台阶+土工格栅)、(开挖台阶+土工格栅+锚杆锚固)3种处治方法进行研究。李鹏[8]等通过数值模拟，认为CFG桩复合地基能够较好地解决不均匀沉降问题。司晓炜[9]对公路路基拓宽施工中土工格栅技术应用进行了优化设计。刘涛[10]等利用ABAQUS创建路基加宽数值计算模型，对挖台阶、土工格栅处置下工程差异沉降进行分析。本文利用有限元软件建立在不同处治下的全风化花岗岩改扩建路基模型，分析路基沉降情况，对相应处治方法进行研究。

1 有限元模型建立

1.1 路基结构

单侧加宽，原路基宽12 m，加宽至12.5 m，边坡坡度为1∶1.5，双向4车道，设计速度为100 km/h。新路基分3层，93区填料为全风化花岗岩素土，94区为4%水泥改良土，96区为8%水泥改良土。地基上伏基层为粉质粘土，下伏基层为全风化花岗岩。旧路基高4 m，新路基抬高了0.8 m，地下水位3 m。模型具体尺寸如图1所示。采用10 kPa等效均布荷载代替车辆荷载[9]。

图1 路基与地基模型计算几何参数(单位：m)Figure 1 Subgrade and foundation model calculation geometry parameters(Unit:m)

1.2 材料属性

模型中土体采用Mohr-Coulomb模型，桩体选用理想线弹性模型。模型中路面各结构层、老路基、地基土、土工格栅等材料参数，根据实地工程地质勘测资料和相关文献[10]给出，见表1。材料力学特性考虑路基内部湿度场的变化[11]，新路基各层参数见表2～表4。

表1 路面,路基与地基材料参数Table 1 Pavement ,subgrade and foundation material parameters结构层厚度/m重度/(kN·m-3)孔隙比弹性模量E/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/(°)面层0.7524—1 5000.25——老路基419—400.3030.19.6砂垫层0.5201.8500.30130土工格栅———38 7000.25——粉质黏土5.217.50.780160.291621全风化花岗岩24.3190.69400.303925

表2 新路基93区填料力学参数Table 2 Mechanical parameters of the new subgrade 93 ar-ea 力学参数 粘聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量E/MPa泊松比拓宽完工时39.221.582.60.31工后365 d37.419.478.40.31工后500 d34.615.271.70.31工后700 d30.19.6630.31工后1000 d23.87.557.20.31注:r=18.5 kN/m3。

表3 新路基94区填料力学参数Table 3 Mechanical parameters of the new subgrade 94 ar-ea 力学参数 粘聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量E/MPa泊松比拓宽完工时68.324.1125.50.31工后365 d63.723.21190.31工后500 d59.821.4108.70.31工后700 d50.616.896.50.31工后1 000 d43.310.787.30.31注: r=18.6 kN/m3。

表4 新路基96区填料力学参数Table 4 Mechanical parameters of the new subgrade 96 ar-ea 力学参数 粘聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量E/MPa泊松比拓宽完工时98.726.21830.31工后365 d92.325.6173.60.31工后500 d8823.9154.20.31工后700 d80.5218.81300.31工后1 000 d72.911.7112.80.31注: r=18.9 kN/m3。

1.3 网格划分及边界条件

模型采用结构化网格划分技术，上半部分(含新老路基、路面结构层)网格设置为CPE4R，下半部分为CPE4P，土工格栅采用杆单元进行模拟，利用Constraint功能将格栅嵌入土体当中。模型中地基深度取30 m，宽度取80 m，地基左右侧边界条件为水平方向上约束，竖直方向上自由；地基底部设置为水平及垂直均方向固定；地基上部边界设置为水平与竖直方向的自由，然后排水。

2 差异沉降处治数值分析

2.1 开挖台阶时路基差异沉降数值结果分析

采取开挖台阶的方式，台阶高1 m，水平距离2 m，共4阶。位移云图如2所示，本文仅列出竣工时、工后1 a和工后15 a。

(a)通车0 a水平位移 (b)通车1 a水平位移

从图2知，路基拓宽运营后，水平位移主要产生在路基坡脚及地基一定深度，新路基对旧路基产生推挤作用，路基内部各部位的水平位移值较小。新老路基沉降较大的区域分布在下路堤，上路堤和路床沉降量较小，且沉降主要集中在工后1 a内。

图3～图5分别为新老地基的水平位移、竖向位移以和工后路面表面沉降图。如图3 a所示，开挖台阶时，新老路基两侧有方向相反的水平变形，在新老路基接合部位水平位移几乎为0，最大位移产生于新老路基边坡坡脚向路基内部的一定位置处。填筑完成时，旧路一侧地基最大水平位移为2.88 cm，而新路基一侧为3.04 cm；工后1 a，老路一侧增大到3.27 cm，提升了0.39 cm，新路一侧则增大到3.46 cm， 提升了0.42 cm；工后1～15 a地基表面处各点的水平位移基本不再发生变化。由图3(b)和3(c)可知，开挖台阶时，新老路基边坡坡脚以下地基各点的位移方向相反，且随地基深度的延伸，新老坡脚处的水平位移值呈现出先增大后减小的趋势，最大水平位移值均出现在地基以下2～4 m处，工后1 a以后，地基内部各点的水平位移值基本不再变化。

(a) 开挖台阶处置工后不同时刻地基表面水平位移

图4 开挖台阶处置时地表沉降Figure 4 Surface settlement curve during step treatment

由图4可知，旧路中部下方的地基表面处，从拓宽开始至竣工时沉降了5.3 cm，新路中部下方的地基表面处沉降了18 cm，工后1 a内，旧路中部下方的地基沉降了1.2 cm，新路中部下方的地基沉降量为1.4 cm，新老地基沉降量基本一致。地基沉降集中在填筑期及工后1 a内。

由图5可知，路面表面的沉降主要集中在通车1 a，通车15 a时，路面表面沉降最大点在新路一侧路面中部，为27.2mm，旧路一侧的路面中部处沉降为20 mm，差异沉降7.2 mm。

图5 开挖台阶处置时路面表面沉降Figure 5 Surface settlement curve of road surface during step treatment

2.2 设置土工格栅时改扩建差异沉降分析

设置3层土工格栅，具体为距路床顶面以下80 cm处、基底之上以和中间台阶处，搭接宽度2 m，新建侧延伸长度8 m。由于篇幅，本文只列出填筑完成及工后1 a时的位移云图，见图6。

(a) 通车0 a

由图6可知，在台阶处治的基础上设置土工格栅可以有效减小路基水平位移，同时在一定范围上降低新老路基和路面表面的工后沉降。

地基的水平位移、地表沉降竖直位移和路面表面沉降图分别如图7～图9所示。

(a) 地基表面水平位移

图8 台阶+土工格栅时地表沉降图Figure 8 Surface settlement diagram of step+geogrid

图9 台阶+土工格栅时路面沉降图Figure 9 Step+geogrid pavement settlementgeogrid

如图7(a)所示，竣工时到工后15 a之间，铺设土工格栅后地基表面各点水平位移较仅开挖台阶时均有所减小。旧路基侧，竣工时和工后1 a时水平位移分别是1.64和1.92 cm，较无土工格栅时2.88和3.27 cm分别减小1.24和1.35 cm；新路基侧，竣工时和工后1 a分别为1.90和2.17 cm，比未铺设土工格栅时的3.04和3.46 cm分别减小了1.14和1.29 cm。工后1～15 a，地基表面各点的水平位移仅有较小变化。由图7(b)和7(c)可以看出，竣工时到工后15 a，铺设土工格栅后地基内部各点处的水平位移值有所降低。

如图8所示，旧路中部下方的地基表面处，从拓宽开始至竣工时沉降了5.4 cm，新路中部下方的地基表面处沉降量为16.2 cm，较无土工格栅时减小1.8 cm。工后1 a，旧路中部下方的地基表面沉降为1.1 cm，新路中部下方的地基表面沉降为1.3 cm，工后1～15 a，地基基本稳定，新老地基的总沉降量基本不再变化。

如图9所示，设置台阶及加铺土工格栅，工后15 a时，路面最大沉降为21 mm，较无土工格栅工况减少6 mm，老路中心路面沉降为17.8 mm，同样小于未铺设土工格栅时的20 mm。

2.3 水泥搅拌桩加固软土地基处治效果分析

在设置台阶和土工格栅模型的基础上对地基进行水泥搅拌桩加固，水泥搅拌桩要求向下穿透软土层并在硬层中有0.5 m嵌入，向上进入砂垫层0.3 m，桩径0.5 m，桩间距0.8 m，桩长4 m。位移云图如图10所示，本文仅展示填筑完成及工后1 a时位移云图。

(a) 通车0 a水平位移

由图10可知，对软土层进行打桩加固处理，使土工格栅与路基连接成整体，显著地降低了新老路基之间的水平位移，且下路堤部位沉降较大的区域也相应减少较多。

图11～图13分别为施工期及其工后地基水平位移、地表沉降竖直位移图和路面表面工后沉降图。

(a) 打桩加固软基处治后地基表面水平位移

图12 打桩加固软基处治后地表沉降曲线Figure 12 Curve of surface settlement after soft foundation treatment by piling reinforcement

图13 打桩加固软基处治后路面表面沉降曲线Figure 13 Curve of surface settlement of pavement after soft foundation treatment

由图11(a)可知，打桩加固处理后的新老地基表面各点的水平位移均有不同程度的减小。旧路基侧，竣工和工后1 a时的最大水平位移为0.56和0.75 cm，较未打桩加固处理工况的1.64和1.92 cm分别减小了1.08和1.17 cm；新路基侧则相应减小了0.98和1.07 cm。工后1～15 a地基表面各点水平方向位移基本不再变化。由图11(b)和图11(c)可知，打桩加固处理后的新老路基坡脚下地基内部各点处的水平位移均有所降低。水泥搅拌桩加固处治可以有效降低地基内部的水平位移，保障新老路基运营期稳定。

由图12可知，打桩加固处理后，工后沉降主要集中在1 a内，且沉降量有明显减小。填筑完成时，旧路中部下方的地基表面的沉降值为4.2 cm，相应减小了1.2 cm，新路中心下方的地表处沉降量为10.9 cm，相应减小了5.3 cm。工后1 a内，老路中心下方的地基表面处沉降为0.8 cm，新路中心下方的地基表面处沉降为1.1 cm，均比未打桩加固时有所降低。

由图13可知，地基经打桩加固处理后，面层在工后更趋稳定，工后总沉降量和不均匀沉降量较未打桩加固处理时均有所减小，可见对不良地基进行打桩处理可以显著提升路基路面在工后的稳定性，大幅减小其差异沉降。

3 结论

利用ABAQUS软件建立不同处治措施下的全风化花岗岩改扩建路基有限元模型，同时考虑路基湿度场变化引起的填料力学特性衰减，分析了新老路基、新老地基、路面表面的沉降和水平方向变形状况，结论如下：

a.新老地基的沉降主要集中在拓宽施工期和工后1 a内，施工期内新路基中部沉降18 cm，远大于老路基沉降的5.3 cm，工后1 a，老路基仅发生轻微沉降；通车1 a后，地基及路基沉降基本稳定。

b.开挖台阶可以有效增加新老路基结合部的抗剪能力，减小新老路基和地基在施工期及运营期产生的侧向位移；若能够在开挖台阶基础上加铺高强度土工格栅，可以使侧向位移较仅开挖台阶时减小40%～50%，降低新老路基和地基在运营期的总沉降约1～2 cm，降低新老路基不均匀沉降程度约50%。

c.对软土地基进行打桩加固处理，一方面可以使新老路基在施工期和运营期的侧向位移大幅度降低，位移量均小于1 cm，稳定性大幅度提高；另一方面，可以有效控制新路基在施工运营期间的沉降量以及新老路基的不均匀沉降量，路面面层在运营期的沉降值较未加固处理时减少了6 cm，差异沉降量减少到2 cm内。