旧路扩宽中的软土路基沉降研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言随着我国社会经济的发展，公路的运输量越来越大，原有公路的通行能力及服务水平已较难满足日益增加的交通量，为此研究学者们提出对老路进行扩宽改造，增加车道数量，这样不仅具有较好的经济价值，还能减少对土地资源的浪费，但这种改造容易存在新旧路基差异沉降的风险，特别是在软土地基路段。关于软土路基中的旧路扩宽改造研究中，许志坚1通过对实际工程案例的研究，对路基扩宽的技术要点进行研究，提出解决病害的相关施工技术为工程提供参考；谢森江2通过对新旧公路拼接存在的问题进行研究，寻找沉降因素和不利的影响条件，提出具体的标准化拼接施工技术，为同类工程提供参考；许利东3等人通过有限元软件对软土地基上扩建工程的沉降变形进行研究，研究提出有效控制沉降的施工技术；彭健4通过实际工程案例对公路软土地基的沉降提出处理方案；马珩5对软土地基中扩宽过程存在的问题进行研究，并提出具体的处理措施；陈向军6通过实际的工程案例对旧路改扩建的公路工程路基沉降进行研究，研究得到新旧路基的差异沉降随路基扩宽宽度的增大而增大，随填土高度的增加而增加，通过双曲线法能预测其沉降量；仲敏8通过数值模拟的方法对旧路扩建中的软土地基加固问题进行研究，研究得到新老路基沉降的变化规律；张玺9通过研究分析扩宽工程沉降的控制原则，总结复合地基的设计方法；冯通硕10-12等人对新旧路面的施工进行研究，提出施工的具体要点和质量控制的关键技术。为工程提供技术参考价值。现有的研究已取得一定的成果，但在路基沉降特性的研究还存在一些不足。本文在现有研究基础上，通过数值研究方法，对软土地基中采用桩基础处理的方法进行研究。1 工程概况某道路为一级公路标准，设计速度80 km/h，路基标准宽度23 m，为双向四车道公路，标准横断面组成为：2.0 m中央分隔带20.5 m路缘带223.75 m行车道21.5 m 硬路肩20.75 m 土路肩22.5 m。为满足最低三级的设计服务水平，需将其拓宽改造为双向六车道，公路等级及设计速度不变，路基标准宽度30 m，标准横断面组成为：2.0 m中央分隔带20.5 m路缘带233.75 m行车道+21.5 m硬路肩20.75 m土路肩=30 m。既有公路填筑完成至今已有20年，从现场调查情况看，路基无边坡滑塌、无明显的路基沉陷等病害，路基整体状况较好，沉降基本趋于稳定。该项目以低缓丘陵及三角洲冲积平原地貌为主，存在较大范围的软弱土基，拓宽部分路基稳定性较差，需要进行软土地基处理。2 软土地基常用处理方法工程中较为常用的软土地基处理方法包括排水固结法、置换法及拌入法、加筋材料法和桩基础等方法。2.1 排水固结法排水固结法是通过在地基上施加荷载，使地基土中的孔隙水通过在地基中设置的竖向排水井排出，地基发生固结变形，强度提高。该方法能使基础沉降尽快结束，对土体的总沉降影响不大，只会加快地基土的固结变形速度。施加荷载的方法可以分为堆载预压、真空预压、降水预压和电渗排水等方法，每种方法都有适用的条件，工程中应根据实际情况进行选择。2.2 置换法及拌入法置换法是采用强度较高的砂或者碎石等材料通过强夯技术进行处理，将原地基土中的软弱土层进行置换，在强夯的作用下使其在地基中形成碎石墩，再通过铺设碎石层形成承载力较高的复合地基，能有效减收稿日期：2023-03-23作者简介：邝文斌（1989），男，工程师，研究方向为道路设计。旧路扩宽中的软土路基沉降研究邝文斌（中路港（北京）工程技术有限公司，北京 100029；广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507）摘要：通过数值模拟的方法研究旧路扩宽中软土路基的沉降问题。研究结果表明：在扩宽的软土地基中采用桩基础进行处理能有效减少路基沉降，提高软土地基的承载力；随着桩长的增加，路基的沉降逐渐降低，路基的水平位移值也逐渐减少，桩间距对沉降及水平位移的影响相比桩长而言小。希望能够为同类工程提供参考。关键词：旧路扩宽；软土地基；数值模拟；沉降中图分类号：U416文献标识码：B53总654期2023年第24期（8月 下）少地基的沉降。拌入法是在软土地基中添加水泥、石灰或砂浆等材料进行搅拌，从而增强地基的承载力，降低路基的沉降，这种方法适用于黏性土、粉砂和冲填土等地质土层中。2.3 加筋材料加筋材料处理软土地基主要采用具有较强抗拉能力的材料，将其植入土体中，与土体形成一体从而增强土体的性能。常用的材料如土工格栅等，这种材料具有抗拉强度高、延伸率较低、稳定性较高的优点，将其埋入土体中，作为软土地基的加固补强材料，能很大程度地增加地基的承载力。2.4 桩基础桩基础是软土地基扩宽改造工程中最常用的方法，通过打设桩基能提高工程的进度。其中，水泥搅拌桩较为常用。这种方法是将水泥作为固化剂，通过搅拌机将水泥喷入土体中进行充分的搅拌，使水泥与土发生固化反应，从而提高软土地基的承载力。水泥搅拌桩一般适用于淤泥、淤泥质土、素填土和软土中。本文结合实际工程特点，决定采用水泥搅拌桩进行软土地基的加固处理。3 有限元分析3.1 有限元软件介绍采用 ABAQUS 有限元软件进行旧路扩宽软土地基的沉降研究。该软件不仅能进行线性分析，还能进行非线性分析。在采用该软件进行模拟时一般包括三个阶段，分别为前处理阶段、模拟计算阶段和后处理阶段，在前处理阶段需要建立工程的几何模型，材料参数的定义、模型边界条件的设置、荷载的施加及模型网格的划分；模拟计算阶段需要通过软件进行计算，并将结果采用二进制的方式写入文件中，模型场输出的变量主要有位移、应力、应变和等效塑性应变等；后处理阶段主要是对计算输出的结果进行评估，可以通过变形前后的模型图、云图等进行分析。3.2.1 有限元模型建立本工程的旧路扩宽采用两侧加宽，道路的断面具有对称性。采用水泥搅拌桩进行模拟分析，模型中水泥搅拌桩顶面位于填筑土的表面，模型的剖面图如图1所示，模型中的参数设置如表1所示。模型中的水泥搅拌桩弹性模量为120 MPa，密度为1 900 kg/m3，泊松比为0.3；挡土墙弹性模量为9 500 MPa，密度为2 400 kg/m3，泊松比为0.2；路面沥青层和基层材料为弹性材料，其中沥青混凝土面层的弹性模量为1 400 MPa，密度为 2 400 kg/m3，厚度为 120 mm，泊松比为 0.35；基层的弹性模量为 1 350 MPa，密度为 2200 kg/m3，厚度为540 mm，泊松比为0.3。为进一步研究水泥搅拌桩对不同间距和不同桩长对沉降的影响，本文分别设置多组不同工况进行模拟，具体工况设置如表2所示。表2 模拟计算工况表单位：m桩基桩长桩间距工况一8.01.0工况二10.01.0工况三12.01.0工况四10.01.2工况五10.01.43.3.2 有限元模拟结果分析本文根据有限元模拟结果对旧路扩宽中软土地基在不同桩长和桩间距情况下的路基沉降特性和填土变形及桩基受力特性进行分析。1）路基沉降特性根据模拟云图得到在桩间距不变情况下不同桩长的沉降结果和相同桩长下不同桩间距的沉降结果，具体如表3所示。根据表3中的数据绘制曲线图，如图2所示。表3 不同工况路基沉降结果表桩基桩长/m桩间距/m路基沉降/cm工况一8.01.07.35工况二10.01.06.72工况三12.01.06.05工况四10.01.26.78工况五10.01.46.80工况六0010.75由表3及图2（a）可知，在桩间距相同的情况下，随着桩长的逐渐增大，软土地基的路基沉降值越来越小，当在工况六不布置桩基础时，路基的沉降值为10.75 cm；在工况一布置桩长为8.0 m，桩间距为1.0 m的水泥搅拌桩时，路基的沉降值为7.35 cm，相比工况六情况下路基的沉降减少约31.6%；在工况二布置桩长图1 有限元模拟剖面图表1 模型中的参数设置表材料名称土基填筑土淤泥质土细砂粉质黏土厚度/m1.21.82.92.17.2密度/（kg/m3）2 1001 8401 7501 8001 950变形模量/MPa35.520.63.1525.06.75黏聚力/kPa29.429.49.351.0524.36内摩擦角/36.434.54.868.0519.85泊松比0.420.420.370.350.30膨胀角/00000承载力/kPa1751453010015054交通世界TRANSPOWORLD为10.0 m，桩间距为1.0 m的水泥搅拌桩时，路基的沉降值为6.72 cm，相比工况六情况下路基的沉降减少约37.48%；在工况三布置桩长为12.0 m，桩间距为1.0 m的水泥搅拌桩时，路基的沉降值为6.05 cm，工况六情况相路基的沉降减少约43.72%。由此可见，随着桩长的增加有利于提高软土地基的承载力，减少路基的沉降。由表3及图2（b）可知，在桩长相同的情况下，随着桩间距的增大，软土地基的路基沉降值有所增加，但增加的幅度不大；相比桩间距为1.2 m情况比桩间距为 1.0 m情况，路基沉降增加约 8.9%；桩间距为 1.4 m情况相比桩间距为1.0 m情况，路基沉降增加约11.9%。由此可见，当桩长达到一定长度后，改变桩间距对路基沉降的影响相比桩长而言较小。因此在实际工程中，应重点合理控制桩长。2）填土体的变形在软土地基中路基的变形主要体现在填筑土层，因此本文对填筑土层的土体变形进行分析，通过读取模拟结果的水平位移进行分析，具体的结果如表 4所示。表4 不同工况路基水平位移结果表桩基桩长/m桩间距/m水平位移/cm工况一8.01.02.01工况二10.01.01.95工况三12.01.01.72工况四10.01.21.97工况五10.01.41.99工况六003.55由表4可知，在桩间距相同的情况下，随着桩长的逐渐增大，路基的水平位移值逐渐减小，当在工况六不布置桩基础时，路基的水平位移值为3.55 cm，在工况一布置桩长为8.0 m，桩间距为1.0 m时，路基的水平位移为2.01 cm，相比工况六情况，路基的水平位移值明显减小；在桩长相同的情况下，随着桩间距的增加，路基的水平位移值有所增加，但增加的幅度较小。3）桩基受力特性通过模拟结果对桩基的受力特性进行分析，当桩间距相同的情况下，随着桩长的增加桩基应力呈现出线性增大的变化，约在淤泥质土的土层底部出现转折，此时的桩基应力增大的速率下降，并且可以发现当桩长越长时，单桩竖向承载力越大；当桩长相同的情况下，随着桩间距的增加，桩基应力的大小相近，说明桩间距对桩基应力的影响较小。4 结束语本文通过有限元软件对不同桩长和桩间距情况的旧路扩宽软土地基沉降进行研究，研究结果表明：在扩宽的软土地基中采用桩基础进行处理能有效减少路基沉降，提高软土地基的地基承载力；并且发现随着桩长度的增加，路基的沉降逐渐减小，路基的水平位移值也逐渐减小，桩间距对沉降及水平位移的影响相比桩长而言小。参考文献：1 许志坚.浅谈道路路堤扩宽施工技术J.城市道桥与防洪，2012，158（7）：281-284.2 谢森江.公路扩宽中新旧路面拼接标准化施工技术应用J.品牌与标准化，2022（S1）：125-127.3 许利东，张关钦，张延杰，等.软土地基公路改扩建数值模拟及施工技术研究J.建筑施工，2020，42（1）：110-112.4 彭健.农村公路软土地基的路基拓宽处理研究J.黑龙江交通科技，2020，43（3）：15-16.5 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