高填方路基加宽工程沉降特性研究

摘　要：结合某高速公路高填方路基加宽工程这一实例，运用FLAC3D软件[1] ，考虑工程实际工况，对高填方路基差异沉降及复合地基处理情况进行研究，并提出相应的施工建议，以期指导后续设计施工。

关键词：高填方；加宽；差异沉降 路基

中图分类号：U416.1

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2012）06-0153-02

1 工程概况

1.1 工程背景

设计标准是在原4车道高速公路两侧各加宽8m，拼宽为整体式双向8车道高速公路，即在原有26m的基础上两侧各加宽8m，加宽后路堤宽度变为42m。

1.2 模拟设计方案

本次计算选取填筑高度为13m的断面。计算断面的新路堤的基底桩采用PTC管桩处理，混凝土强度采用C60，直径为400mm，间距2.8m，桩长14m，平面上成正方形布置；为了节省造价，边坡上采用CFG桩的地基处理方式，单排桩间距为2.4m，双排桩间距为2.7m，桩体按照设计布置，桩顶在每个台阶的顶部，桩端位于地表以下4m处。土工格栅采用如下在基底和路堤高度为8m处台阶底部各铺设一层高强土工格栅，土工格栅从台阶内缘铺设至拓宽路堤的边坡处，并采用U型钢筋钉固定[2] 。（见图1、图2）

2 计算模型

2.1 模型选取

因为路基沉降变形为轴对称问题，所以本次计算只选取路堤中心右侧部分为研究对象，根据工程地质条件和已有研究成果，计算模型大小如下：模型计算长度大约为路堤平均断面的4倍，计算深度为30m，计算宽度为5m，8m以下放坡为1:1.75，8m以下为1:1.5放坡。新老路堤结合处的边坡采用挖台阶处理的方法。（见图3）

2.2 计算参数

地基土及路堤土的计算参数如表1、表2。

2.3 边界条件

2.3.1 模型中地基底面即 的位置，在x、y、z三个方向施加位移约束；底部为粉土，为不排水。

2.3.2由于高速公路是典型的轴对称问题，路的纵断面即模型中 和 处，施加X方向位移约束；排水条件为不排水。

2.3.3路的横断面即模型中 和 处，施加Y方向的位移约束，路堤上部为自由面，所以无约束。上部为排水条件。

3 模拟结果分析

3.1 沉降特性研究[3]

图4表明：路面沉降规律为老路基沉降变化相对较小，而新路堤沉降变化相对比较大，这主要是由于新土基相对比较软，在新路堤荷载作用下，发生了一定的沉降导致。针对于拓宽的这三种情况（拓宽4m、8m、12m），在不排水的情况下，在新路堤边载的作用下，老路堤发生了少量的隆起，说明新路堤对老路堤起到一定的上伏作用，对于新老路堤交接处位移变化比较快，新路堤部分的沉降明显大于老路堤的沉降，同时，随着拓宽宽度的增加，路堤的沉降量也逐渐增大。

图5表明：路堤拓宽对老路堤中心处的影响较小，随着距离路基中心的距离的增加，路基的沉降量增大，整个曲线呈“勺子”状，也就是说在新路堤坡角沉降量相对比较小，最大沉降位置发生在老路边坡下面的位置，从最大沉降开始，越向外侧沉降量减小，在更远处路基还发生了少量的隆起，这是由于新路堤作为边载与老路堤和相应地基作用的结果。针对于图中的三种工况，我们还能知道，随着新路堤拓宽宽度的增加，新老地基表面的沉降量增大，但是新地基范围内的沉降变化更为显著。

图6表明：到填土完成时，地基表面的水平位移表现为在距老路地基较近的一侧，出现向路堤中心挤压的结果，随着远离老路中心，地基的水平位移表现为向老路堤外侧移动，并逐渐增大，水平位移在新路地基范围内呈现维最大值，在向外侧，水平位移出现减小趋势。我们分析，这是由于加宽路堤的实际特点决定的，加宽路堤作为边载作用到老路路堤边坡和新路地基上，由于地基固结作用，老路地基已经相对比较稳定，在新路边载作用下，变形比较小，而新路地基的变形就相对比较大，在新路堤的外侧地基的作用下，新路堤范围的靠近新路坡角的范围水平位移是减小的。同时，我们在新路路堤的底部和8m处设置了土工格栅，土工格栅主要承受拉力，也是由于这种作用，会减小新老路地基的差异变形。比较三种模型的地基的水平位移，我们可以看到，随着路堤加宽宽度的增加，水平位移逐渐增大，并且变化还是比较明显的。

3.2 复合地基特性研究

管桩复合地基加固机理为褥垫层受上部基础荷载作用产生变形后以一定的比例将荷载分摊给桩及桩间土，使二者共同受力，同时土体受到桩的挤压而提高承载力，而桩又由于周围土的侧应力的增加而改善了受力性能，二者共同工作，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载，桩土应力比是反映复合地基工作性状的一个重要参数，是指复合地基中桩顶的平均应力和桩间土上的平均应力比值，对复合地基稳定性验算和地基承载力计算有着重要的意义。

图7表明：管桩—梅花型复合地基的路基桩体轴力形式为“纺锤”型，桩体的轴力最大值位于距离桩顶3/5位置处。此处称为中性点,这正反映了褥垫层的影响，上下两头小，中间大。“纺锤”型是由于桩体刺入变形而造成的负摩阻力所引起的，它的存在加大了桩体的轴力。

对比图7轴力图和图8摩阻力图可以看出，桩身轴力最大的位置对应的摩阻力为零。该位置是摩阻力的分界点，该位置的上部摩阻力为负值，下部为正值。

4 结论

4.1模拟发现：经过桩土复合地基处理的路堤沉降尤其是差异沉降是能够满足工程需要的，路基加宽是安全的。

4.2在实际工况的基础上，分析了复合地基作用下的不同路基加宽宽度对变形的影响，总结其变形规律，为优化设计提供了理论依据。

4.3分析了不同部位、不同桩体的作用效果，为复合地基设计提供理论依据。

4.4差异沉降是加宽工程的最大危害，如何降低差异沉降是工程成败的一个关键。本项目经过桩基和格栅的处理，差异沉降是在很小的范围内的，该设计方案是可行的。

参考文献：

[1]刘波.韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南.北京:人民交通出版社，2005.

[2]臧继成，杨兵，翟福森.土工格栅处治填挖过渡段路基不均匀沉降试验研究[J]. 公路交通技术，2006，(01) .

[3]钱家欢，殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京:中国水利水电出版社，1996.