童 明

（南方工程檢測修復技術(shù)研究院 廣東惠州516000）

0 引言

兩側(cè)加寬的道路擴寬工程中，新老路堤下地基土體的不均勻沉降和變形是關(guān)鍵技術(shù)問題。拓寬擴建路基較一次性新建路基沉降演變過程復雜，需重視新老路基之間的相互作用。老路堤下的地基土體，在道路使用多年后，經(jīng)過長時間的荷載作用和固結(jié)沉降過程，在現(xiàn)有的荷載應力下，其固結(jié)已完成，變形已穩(wěn)定。擴寬工程新增加拓寬路堤，相當于對地基土體增加了新的外部恒載，這勢必引起新老路堤下的土體產(chǎn)生附加沉降變形，而新老路堤下的地基土體固結(jié)狀態(tài)的不同，又將導致兩者差異沉降的產(chǎn)生，相對過大的差異沉降，進而會引起路基的變形，嚴重時會出現(xiàn)路基的拉裂，下沉過速等病害，將會對道路的正常運營帶來難以估量的不良后果。因此拓寬工程應控制附加沉降及差異沉降[1-3]。

輕質(zhì)填料法，是指路堤采用容重很小的輕質(zhì)材料填筑，通過減輕路堤的自重，使地基所承受的上覆荷載減小，進而減小地基的壓縮量，使路堤沉降量減小。對于擴建工程而言，拓寬路堤使用輕質(zhì)填料，對下覆地基新增的荷載較小，有效應力的影響深度和強度減小，提高地基的穩(wěn)定性，減少路基沉降、側(cè)向變形和新老路基的不均勻沉降，降低新路堤對老路堤的影響。另外，在節(jié)約用地、降低工程造價和縮短工期等方面，輕質(zhì)填料加寬路堤具有明顯優(yōu)勢[4-8]。

國內(nèi)外的輕質(zhì)填料種類較多，常用的有：粉煤灰輕質(zhì)土、泡沫塑料塊體輕質(zhì)土（EPS）、泡沫塑料顆?；旌陷p質(zhì)土、氣泡混合輕質(zhì)土、SLM 輕質(zhì)混合填料等。

本文采用有限元方法，對輕質(zhì)填料法在路堤加寬中的地基變形特性進行計算分析，獲得影響因素與地基變形的關(guān)系。

1 有限元模型和計算條件

某道路擴寬工程老路堤寬度26 m，填土高度4 m，路堤邊坡坡度為1∶1.75，老路營運10年后進行加寬工程，在原有的路堤兩側(cè)各加寬8 m，新路堤采用輕質(zhì)土（γ=6.0 kN/m3）直立填筑。

地基土層從上往下依次是：〈1〉硬殼層（厚3 m）；〈2〉淤泥質(zhì)亞粘土層（厚16 m）；〈3〉粗砂層（下臥層）。有限元分析的本構(gòu)模型：硬殼層、淤泥質(zhì)亞粘土層采用修正劍橋模型；粗砂層、原路堤填土與新路堤輕質(zhì)土采用線彈性體模型。

老路采用塑料排水板處理軟土層，塑料排水板平面上為等邊三角形分布，間距1.5 m，貫穿軟土層。加寬部分采用輕質(zhì)土直立填筑。計算過程分為4 個時段：老路堤施工期、老路堤工后固結(jié)期（道路運營期10年）、新路堤施工期、新老路堤工后固結(jié)期（道路運營期15年）。

因路基斷面是軸對稱，計算時取路基斷面的一半進行計算分析。地基計算分析寬度60 m，深度40 m。

2 計算結(jié)果分析

2.1 填筑幾何斷面的影響

道路擴建工程中，采用輕質(zhì)填料填筑拓寬路堤非常顯著的優(yōu)點就是可直立式填筑。直立式填筑能有效地減少占用土地，降低征地成本，有顯著經(jīng)濟效益[8，9]。為研究填筑幾何斷面的影響，對直立式填筑與斜坡式填筑兩個工況進行對比分析。

⑴由圖1 可知，兩者最大沉降值相差不大，但直立式填筑的沉降曲線較陡，而斜坡式填筑的曲線變化較平緩。究其原因，直立式填筑在橫斷面上存在上覆荷載突變。

圖1 地表處附加沉降曲線圖Fig.1 Additional Settlement of Ground

⑵老路堤坡腳處下地基側(cè)向位移曲線，兩者接近，側(cè)向位移值小。新路堤坡腳處下地基側(cè)向位移曲線，兩者有較大區(qū)別，斜坡式填筑較直立式填筑有較大的側(cè)向位移值，直立式最大值在深度3 m 處兩土層交界面，為0.752 cm；斜坡式最大值在地表處，為1.78 cm，深度3 m 處的位移值為1.08 cm（見圖2）。

圖2 附加側(cè)向位移曲線圖Fig.2 Additional Lateral Displacement

總的來說，兩者地表沉降和側(cè)向位移值均較小，處理效果接近，采用直立式填筑能減少造價較高的輕質(zhì)填料用量，同時減少占地面積，有較明顯的經(jīng)濟性。

2.2 填土高度的影響

對填土高度分別為2 m、4 m、6 m 的工況進行分析。

⑴沉降值隨填土高度增大而增大。在填高較小時，最大沉降值增加較快。最大沉降值的位置隨填土高度增加而向路基外側(cè)移動，原因是填土越高，拓寬路堤的重心遠離路基中心。差異沉降值則隨填土高度的增大而上下波動（見圖3、圖4）。

圖3 不同填土高度地表處附加沉降曲線圖Fig.3 Additional Settlement at the Surface of Different Fill Heights

⑵側(cè)向位移值隨填土高度增大而增大。老路堤下的土體側(cè)向移動方向隨著填土高度變化而出現(xiàn)差異。如填高2 m 時，老路堤坡腳下的側(cè)向位移出現(xiàn)負值，這部分土體的位移是指向路基內(nèi)部的，究其原因，是因為不同的填土高度下，新路堤的形心位置的不同。從新老路堤處下地基的最大側(cè)向位移與填土高度的關(guān)系圖可知，最大側(cè)向位移隨著填土高度變化，增速加快（見圖4、圖5）。

圖5 不同填土高度附加側(cè)向位移曲線圖Fig.5 Additional Lateral Displacement of Different Fill Heights

2.3 軟土層厚度的影響

對軟土層厚度在8～24 m 之間變化進行分析。

⑴沉降值隨軟土層厚增大而增大，但增速減小，即軟土層厚在較小值范圍增加時，沉降值增加較快，究其原因是因為輕質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應力較小且隨深度增加而進一步分散減小，地表處的沉降主要是淺層土體的固結(jié)沉降所產(chǎn)生的，深層土體的固結(jié)沉降較小，因此即使軟土層厚度增加較大而沉降值增幅相對較?。ㄒ妶D6、圖7）。

圖6 不同軟土層厚度地表處附加沉降曲線圖Fig.6 Additional Settlement at the Surface of Different Soft Soil Layer Thickness

圖7 地基變形與軟土層厚度的關(guān)系圖Fig.7 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Soft Soil Layer Thickness

圖8 為距離路堤中心線21 m 處地基沉降隨深度變化圖，兩點之間的橫坐標的差值為該兩點間土層的沉降量，由圖8 中可以看出，大部分沉降都是在淺層土體中發(fā)生的。差異沉降隨軟土層厚度增加而減小，是因為隨著軟土層厚度的增加，路基中心處的沉降值增長幅度較新路堤下的沉降增長幅度要大，因此兩者差值在縮小。

圖8 沉降隨深度變化Fig.8 Relationship of Settlement and Deepness between Ground

⑵側(cè)向位移值均隨軟土層厚度的增大而增大，隨著軟土層厚度的增加，最大側(cè)向位移值增速降低，即軟土層厚度在較小值范圍增加時，位移值增加較快（見圖7、圖9）。

2.4 深部下臥層的影響

地表處的沉降不僅僅是軟土層的沉降變形，還包括了其他土層的沉降變形。地基處理中需考慮下臥層的土體性質(zhì)的影響。在本文的有限元分析中，下臥層（粗砂層）的土體本構(gòu)模型采用的是線彈性模型，因此通過改變土體的彈性模量，使其在20～35 MPa 之間變化，研究下臥層土體性質(zhì)對地基變形的影響。

圖9 不同軟土層厚度附加側(cè)向位移曲線圖Fig.9 Additional Lateral Displacement of Different Soft Soil Layer Thickness

計算結(jié)果表明下臥層土體參數(shù)的改變，對地表最大沉降及最大側(cè)向位移均影響較小。究其原因是因為輕質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應力很小且隨深度增加進一步分散減小，傳遞到深部下臥層的附加應力較小，下臥層變形量較小，下臥層土體性質(zhì)的變化對地基變形影響不大。黃琴龍等人[10]對EPS 輕質(zhì)填料進行了理論分析和工程驗證后得到的結(jié)論，從另一個側(cè)面證明了本文的分析結(jié)果，其結(jié)論是采用EPS 填筑拓寬路堤，對下臥層的影響深度要明顯淺于常規(guī)填土路堤（見圖10～圖12）。

圖10 不同土體彈性模量地表處附加沉降曲線圖Fig.10 Additional Settlement at the Surface of Different Soil Elastic Modulus

圖11 不同土體彈性模量附加側(cè)向位移曲線圖Fig.11 Additional Lateral Displacement of Different Soil Elastic Modulus

3 結(jié)論

本文利用有限元方法，對路堤擴建工程中采用輕質(zhì)填料的地基變形特性進行計算分析，得出以下結(jié)論：

⑴直立式與斜坡式兩種斷面的填筑方式，處理效果接近，采用直立式有其顯著的經(jīng)濟效益。

圖12 地基變形與下臥層彈性模量的關(guān)系圖Fig.12 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Elastic Modulus of Underlying Layer

⑵隨著填土高度增大，沉降與側(cè)向位移增大，最大沉降值增速減小，最大側(cè)向位移值增速增大。最大沉降值的位置隨填土高度增大而向路基外側(cè)移動。

⑶隨著軟土層厚增大，沉降與側(cè)向位移增大，最大沉降值和最大側(cè)向位移值增速減小，其原因是輕質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應力較小，且隨深度增加而分散減小，從而引起上部淺層土體發(fā)生較大的固結(jié)沉降和側(cè)向位移，下部深層的土體發(fā)生的固結(jié)沉降和側(cè)向位移較小。

⑷深部下臥層土體性質(zhì)變化，對地表最大沉降值及最大側(cè)向位移值均影響較小。究其原因是因為輕質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應力分散到下臥層的附加應力很小，從而下臥層變形量很小。