李立，鄭俊杰，曹文昭，謝明星

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074；2.中冶建筑研究總院(深圳)有限公司，廣東 深圳 518055)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國沿海軟土地區(qū)20世紀(jì)八九十年代建成的部分高速公路已無法滿足日益增長的交通量需求，急需進(jìn)行拓寬改造。軟土地區(qū)高速公路路基拓寬面臨的最為突出的技術(shù)難題是新老路基的差異沉降變形，處理不善則易導(dǎo)致路面縱向裂縫、道面起伏等病害。軟土地基的流變特性是影響拓寬路基工后沉降的主要因素之一。為研究土體流變特性，不少學(xué)者提出了不同的流變模型[1]與理論[2]，其中，Cvisc模型[3]作為黏彈塑性模型，能較好地反映土體壓縮與剪切性能。除此之外，流變地基土與路堤變形之間的關(guān)系也被廣泛研究。Liu等[4]基于流變固結(jié)理論提出了不飽和地基土上路堤施工過程中及施工后沉降的變形規(guī)律，并通過離心試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了該理論計(jì)算的正確性。而路基拓寬設(shè)計(jì)計(jì)算方法一般未考慮地基土流變的影響。

相比傳統(tǒng)路基拓寬方法，樁承式加筋土擋墻具有占地面積小、地基處理費(fèi)用低和填料需求少等特點(diǎn)。具體措施為：將既有路基削坡至1∶0.5坡比后，在削坡開辟的場地范圍內(nèi)設(shè)置豎向樁體，然后在樁頂建造加筋土擋墻。路基拓寬結(jié)構(gòu)大比例削坡不僅能減少工程占地，也能減小拓寬路基自重在地基上產(chǎn)生的水平推力，從而提高拓寬路基的穩(wěn)定性。為研究路基的變形破壞機(jī)理，Jin等[5]通過離心模型試驗(yàn)對河流旁的路基拓寬進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地基沉降根據(jù)地基層條件和路堤形狀表現(xiàn)出不同的模式。鄭俊杰等[6]通過理論分析改進(jìn)了土拱效應(yīng)及張拉膜效應(yīng)分析方法，得出樁承式加筋路堤荷載傳遞效率計(jì)算公式。此外，學(xué)者們還通過數(shù)值模擬[7]、室內(nèi)試驗(yàn)[8-9]、現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析，研究了不同樁長[10]、樁間距、加筋方式[11]、筋體連接方式以及路基拓寬方式等對軟土地基上路基拓寬性能的影響。

筆者基于有限差分軟件FLAC3D，考慮地基土流變的影響，對軟土地基上樁承式加筋土擋墻拓寬高速公路進(jìn)行數(shù)值模擬，分析路基拓寬后的擋墻水平位移以及地基與路基沉降，通過改變路基拓寬方式和樁體設(shè)置位置，提出路基拓寬中樁承式加筋土擋墻的合理參數(shù)，以期為該路基拓寬結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 流變模型選擇

對于軟黏土體流變，選擇采用Cvisc模型進(jìn)行模擬，該模型為Burgers模型的變體，除Kelvin(開爾文)體與Maxwell(麥克斯維爾)體外，還引入了Mohr-Coulomb模型作為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，以綜合描述介質(zhì)黏彈塑性性質(zhì)，具體模型組成如圖1所示。

圖1 Cvisc流變模型Fig.1 Rheological model of Cvisc

Kelvin模型由牛頓體與虎克體并聯(lián)而成，表明在外力作用下該模型變形為彈性變形或黏性變形；Maxwell模型為黏彈性體，由一個(gè)牛頓體和虎克體串聯(lián)而成，分別對應(yīng)土體彈性變形和黏性變形；Mohr-Coulomb模型則用以表征土體塑性力學(xué)行為。模型一維蠕變方程為

ε(t)=σ[1/EM+1/Ek(1-e(Ek/ηk))]

(1)

1.2 工程概況及參數(shù)選擇

杭甬高速公路拓寬為中國首例高速公路拓寬實(shí)例[12]，該段高速公路途經(jīng)沖積平原及各大水系，地基土軟弱，軟土厚度20 m以上路段占全路段76%。拓寬試驗(yàn)段勘察結(jié)果顯示，Ek165+800段地表為2.5 m厚亞黏土硬殼層，其下分布地層依次為厚12.5 m淤泥質(zhì)亞黏土及厚16 m亞黏土，各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1[10]。路基拓寬方式為對稱拓寬。

由于路基結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，為減小模擬時(shí)的計(jì)算量，以路基中軸線為對稱軸，選取實(shí)際路基的一半進(jìn)行模擬。圖2為杭甬高速Ek165+800斷面實(shí)際工程路堤拓寬示意圖，該斷面老路堤處理方式為超載預(yù)壓，新路堤布置預(yù)應(yīng)力薄壁管樁，并鋪設(shè)40 cm厚墊層及一層土工格柵，監(jiān)測點(diǎn)分別為地基表面C1(新老路堤結(jié)合處)、C2(新路堤中心)及C3(新路堤路肩)。結(jié)合表2，利用FLAC3D對模型參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)試[13]，將模擬沉降所得曲線與實(shí)際沉降曲線進(jìn)行對比，得到考慮地基土流變特性的監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算沉降曲線與實(shí)測沉降曲線對比如圖3所示，此時(shí)Maxwell與Kelvin參數(shù)見表3。

圖2 實(shí)際工程路堤拓寬示意圖(單位：m)Fig.2 Diagram of embankment widening in practical engineering

表2 各參數(shù)對流變特性的影響
Table 2 Impact of parameters on rheological properties

流變特性EmηmEkηk瞬時(shí)應(yīng)變量負(fù)相關(guān)起始蠕變量負(fù)相關(guān)負(fù)相關(guān)起始蠕變率負(fù)相關(guān)負(fù)相關(guān)穩(wěn)定蠕變率負(fù)相關(guān)

圖3 沉降對比圖Fig.3 Comparison diagram of settlement

表3 各土層流變參數(shù)
Table 3 Rheological parameters of each layer

流變參數(shù)EkEmηkηm亞黏土硬殼層8.9×1078.9×1071.9×1098.7×1011淤泥質(zhì)亞黏土6.8×1076.8×1077.7×1083.3×1011亞黏土1.8×1082.0×1073.9×1094.4×1011

由圖3可知，在實(shí)際工程填筑期間，地基土先快速固結(jié)，而后長時(shí)間持續(xù)流變，利用FLAC3D將地基單元的變形擬合為地基固結(jié)，得到的考慮地基流變特性的沉降曲線與實(shí)測結(jié)果擬合較好，沉降量隨時(shí)間變化總體趨勢一致，路堤填筑200 d后，三點(diǎn)沉降計(jì)算值依次為21.64、19.22、18.60 mm，與實(shí)測數(shù)值25.92、23.07、20.03 mm的誤差僅為16.51%、16.69%和7.14%。以上分析表明，考慮地基土流變特性的數(shù)值模擬結(jié)果能較好地反映軟土地基上拓寬路基的實(shí)際沉降量及變化趨勢，可為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。

1.3 樁承式加筋土擋墻建模

在路堤參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用樁承式加筋土擋墻對路堤進(jìn)行拓寬，所選區(qū)域模型地基寬30 m、深20 m，褥墊層厚度0.6 m，擋墻高H為3 m，拓寬前后所有參數(shù)均保持不變。拓寬后路基寬由10 m增加至16 m，既有路基邊坡比由1∶1.5削坡至1∶0.5，拓寬路基邊緣以0.5 m厚垂直擋墻約束。采用結(jié)構(gòu)單元樁單元(pilesel)、殼單元(shell)以及土工格柵單元(geogrid)分別對樁體、樁帽以及格柵進(jìn)行模擬，并將樁單元與殼單元手動(dòng)連接，形成加帽樁體，其中，樁長15 m、樁間距2 m，樁帽尺寸1 m×1 m；既有路基格柵鋪設(shè)一層，距底面0.3 m，拓寬后于每層拓寬路基頂部分別鋪設(shè)土工格柵共4層。拓寬工程示意圖如圖4所示。

圖4 地基與路基模型(單位：m)Fig.4 Model of foundation and subgrade

路基拓寬過程具體模擬步驟：

對于干井式或有校準(zhǔn)孔型的表面溫源采用溫度巡檢儀測量，對于平面式電加熱板的表面溫源采用表面溫度計(jì)測量。選取表面溫源加熱裝置有效加熱區(qū)域中心點(diǎn)為測量位置，升溫至目標(biāo)溫度穩(wěn)定后，分別記錄設(shè)備示值和標(biāo)準(zhǔn)示值，取二者平均值之差作為示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果。

1)在地基土流變情況下模擬既有路基填筑，每層填筑時(shí)間為7 d，全部填筑完成后運(yùn)行相應(yīng)時(shí)間以模擬既有路基與拓寬路基不同施工間隔年數(shù)；

2)將除褥墊層外的既有路基邊坡削坡至1∶0.5坡比，并靜置固結(jié)一個(gè)月；

3)拓寬路基底部受載地基加建加帽樁體；

4)分層按要求填筑拓寬路基，并在每層拓寬路基頂部鋪設(shè)一層土工格柵與末端擋墻相連；

5)拓寬路基填筑完成后，繼續(xù)運(yùn)行3 a，記錄并保存相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 擋墻位移

圖5為路基拓寬完成時(shí)與拓寬3 a后不同施工間隔時(shí)間的擋墻水平位移。擋墻上各點(diǎn)水平位移隨施工間隔時(shí)間變化趨勢相同。當(dāng)施工間隔時(shí)間為8 a時(shí)，新路堤填筑完成時(shí)擋墻水平位移最大點(diǎn)位于據(jù)墻底0.9 m處，墻面出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象，這是路基自重以及土體黏聚力引起的。拓寬3 a后，隨著擋墻高度增加，水平位移逐漸增大，最大值位于墻頂，達(dá)10.42 mm，小于規(guī)范規(guī)定15 mm(0.5%H)[14]，因此，采用樁承式加筋土擋墻結(jié)構(gòu)對路基進(jìn)行拓寬時(shí)，擋墻結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，不易發(fā)生垮塌；隨著施工間隔時(shí)間由2 a增加至10 a，墻頂最大水平位移依次為12.21、11.81、11.16、10.42、9.73 mm，逐漸減小，表明隨著施工間隔時(shí)間的增加，地基土在既有路堤荷載下流變持續(xù)發(fā)展，土體逐漸穩(wěn)定，拓寬后擋墻穩(wěn)定性提高。

圖5 擋墻水平位移Fig.5 Horizontal displacement of retaining wall

2.2 地基頂面位移

圖6為路基拓寬前后地基頂面沉降曲線。隨著既有路基在拓寬前通車時(shí)間逐漸增加，地基各點(diǎn)沉降均增大，表明隨既有路基通車時(shí)間增加，地基土持續(xù)流變。拓寬3 a后地基頂面沉降量變化趨勢剛好相反，既有路基通車時(shí)間越長，拓寬后地基沉降越小，此時(shí)拓寬地基越穩(wěn)定；地基頂面中心點(diǎn)沉降量減小值依次為2.74、2.43、2.25、2.00 mm，表明隨著拓寬前通車時(shí)間增加，地基土流變速率減慢，通車時(shí)間的增加對改善地基沉降的能力逐漸減弱。當(dāng)既有路基與拓寬路基施工間隔時(shí)間為8 a時(shí)，拓寬后地基在拓寬路基自重作用下繼續(xù)產(chǎn)生較大沉降，新老路基結(jié)合處所受垂直附加應(yīng)力較大，使得該點(diǎn)沉降量最大，達(dá)28.29 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的工后容許沉降300 mm[15]。拓寬前后，地基頂面樁頂沉降均明顯小于樁間土沉降，表明樁體的設(shè)置能明顯減小地基頂面沉降，進(jìn)一步提高地基穩(wěn)定性。

圖6 拓寬前后地基頂面沉降Fig.6 Settlement of the surface of foundation before widening

圖7為施工間隔時(shí)間8 a時(shí)，路基開始拓寬后地基頂面各典型點(diǎn)沉降曲線。既有路基削坡后，除坡腳處地基土初期會(huì)產(chǎn)生1.18 mm高的拱土外，其余各點(diǎn)在拓寬路基填筑期間沉降均顯著增加，遠(yuǎn)離路基中心方向，地基頂面各點(diǎn)最大沉降速率依次為3.08、3.58、2.05、5.12和6.26 mm/月；施工60 d后，最大平均沉降速率僅0.85 mm/月；200 d后，5點(diǎn)沉降量依次為6.30、5.36、5.03、8.52、10.27 mm，拓寬路基坡腳處沉降量最大。這是由于既有路基削坡后，削坡處地基土將產(chǎn)生卸荷回彈，此時(shí)既有路基與拓寬路基結(jié)合處為薄弱點(diǎn)，易產(chǎn)生較大變形；拓寬填筑期間，壓縮性較低的拓寬路基處地基土在荷載作用下發(fā)生沉降，加上擋墻重度大于路基填土重度，使坡腳處地基土以較大沉降速率持續(xù)沉降較長時(shí)間，最終沉降量大于相鄰?fù)馏w；拓寬完成后一段時(shí)間，拓寬路基附加應(yīng)力產(chǎn)生的變形基本完成，土體沉降由流變控制，地基土沉降速率開始變緩。

圖7 開始拓寬后典型點(diǎn)變化曲線Fig.7 Variation curve of the typical points after beginning widening

2.3 路基頂面位移

圖8(b)為拓寬3 a后的路基頂面沉降量。不同施工時(shí)間間隔下路基頂面沉降曲線變化一致，遠(yuǎn)離路基中心方向，既有路基頂面沉降量逐漸增加，在拓寬路基與既有路基交界處達(dá)到最大后沉降量明顯減小，最后在拓寬路基坡肩處達(dá)到最小。當(dāng)施工間隔時(shí)間每增加2 a，既有路基與拓寬路基交界處沉降量依次減小2.53、2.10、1.87、1.59 mm，表明施工間隔時(shí)間的增加對改善路基頂面沉降的能力逐漸減弱。同時(shí)，路基頂面沉降量標(biāo)準(zhǔn)差依次為0.96、0.90、0.88、0.85和0.83 mm，這是由于拓寬前地基土流變速率隨通車時(shí)間增加而逐漸減慢，地基土穩(wěn)定性增強(qiáng)，使得拓寬后路基差異沉降減小。因此，增加拓寬前通車時(shí)間能減少路基沉降量并降低路基不均勻沉降。

圖8 路基頂面沉降Fig.8 Settlement of the top of embankment

拓寬3 a后，以施工間隔時(shí)間8 a為例，路基頂面最大沉降量為23.82 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的工后容許沉降150 mm[10]；工后最大差異沉降為4.43 mm，小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30 mm；拓寬后既有路基橫坡比出現(xiàn)明顯反坡現(xiàn)象，坡比大小為0.017%，拓寬路基坡比為0.074%，均小于道路功能性要求和結(jié)構(gòu)性要求容許的路面坡比0.4%。表明利用樁承式加筋土擋墻這一結(jié)構(gòu)對路基進(jìn)行拓寬，可減小拓寬后既有路基與拓寬路基的不均勻沉降，降低橋頭跳車及路面破壞的可能。既有路基與拓寬路基交界處因不均勻沉降而產(chǎn)生一明顯凹槽，在路基通車后易發(fā)生積水，應(yīng)加強(qiáng)排水措施。

上述分析表明：增加拓寬前通車時(shí)間能減少路基沉降量并降低路基不均勻沉降；樁承式加筋土擋墻路基拓寬結(jié)構(gòu)具有良好的承載性能，地基頂面工后差異沉降較小，將減小路基不均勻沉降而導(dǎo)致的橋頭跳車及路面破壞的可能。

當(dāng)施工間隔時(shí)間為8 a時(shí)，路基拓寬完成后路基頂面典型點(diǎn)沉降隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。由于流變土體的蠕變特性，路基拓寬完成后的較長一段時(shí)間內(nèi)，路基表面仍會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生沉降。填筑完成后一段時(shí)間，F(xiàn)點(diǎn)(即新老路堤交界處)沉降量最大，工后150 d達(dá)10.03 mm；該點(diǎn)拓寬完成后20 d內(nèi)沉降速率最大，平均為0.26 mm/d，20 d后，拓寬路基附加應(yīng)力產(chǎn)生的變形基本完成，流變持續(xù)發(fā)生，沉降速率僅0.65 mm/d，小于大多數(shù)高速公路采取的0.2 mm/d的路面鋪筑時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)[16]，此時(shí)可進(jìn)行面層施工。

圖9 拓寬完成后典型點(diǎn)變化曲線Fig.9 Variation curve of the typical points after widening

3 參數(shù)分析

3.1 拓寬方式

分別利用樁承式加筋路堤與樁承式加筋土擋墻拓寬，拓寬方式如圖10所示。圖11為兩種拓寬方式下路基頂面沉降曲線圖。利用樁承式加筋路堤拓寬時(shí)，路基沉降量最大值仍位于路基交界處，達(dá)24.51 mm，因此，無論用何種拓寬方式對路基進(jìn)行拓寬，均應(yīng)加強(qiáng)路基交界處沉降監(jiān)控，防止該處產(chǎn)生較大凹陷，影響路基通車。利用樁承式加筋土擋墻拓寬路基時(shí)，既有路基與拓寬路基頂面沉降明顯小于利用樁承式加筋路堤拓寬路基時(shí)，路基中心沉降量減小了1.85 mm，拓寬路基路肩減小了0.97 mm，表明利用樁承式加筋土擋墻拓寬不僅能降低拓寬路基對既有路基的影響，還能減少拓寬路基頂面沉降。

圖10 拓寬方式對比(單位：米)Fig.10 Comparisons of broadening ways

3.2 樁體布置

分別模擬既有路基與拓寬路基均無樁(UU)、既有路基有樁：拓寬路基無樁(PU)以及既有路基無樁、拓寬路基有樁(UP)3種情況，與既有路基與拓寬路基均有樁(PP)時(shí)進(jìn)行對比，樁體布置如圖12所示。

圖11 路基頂面沉降Fig.11 Settlement of the surface of embankment

圖12 樁體布置情況Fig.12 Position of the pile

圖13為路基頂面沉降曲線圖。由圖13可以看出：UU工況下，路基頂面各點(diǎn)沉降明顯大于其他工況，表明設(shè)置樁基能顯著減少路基沉降，其沉降曲線與PP工況變化一致，路基結(jié)合處沉降量最大，且既有路基與拓寬路基路面沉降差異不大。UP工況下，既有路基沉降明顯大于拓寬路基，路基結(jié)合處沉降量最大，沿拓寬路基路肩方向沉降逐漸減小，路肩處為路基表面最高點(diǎn)。PU工況下，拓寬路基沉降曲線則完全相反，距路基中心越遠(yuǎn)，拓寬路基沉降量越大，路肩處為路基表面最低點(diǎn)。UU、UP、PU以及PP4種情況下，路基沉降標(biāo)準(zhǔn)差依次為1.75、3.06、1.56、0.83 mm。由此可知：若既有路基為樁承式路基，拓寬路基設(shè)樁能有效減少路基不均勻沉降；若拓寬前地基土流變?nèi)晕词諗壳壹扔新坊丛O(shè)樁，拓寬路基設(shè)樁反而可能增加路基不均勻沉降，此時(shí)可考慮在填筑拓寬路基時(shí)適當(dāng)增加橫坡比。

圖13 路基頂面沉降Fig.13 Settlement of the surface of embankment

4 結(jié)論

1)隨著施工間隔時(shí)間增加，地基土在既有路堤荷載下流變持續(xù)發(fā)展，土體逐漸穩(wěn)定，拓寬后拓寬地基和擋墻穩(wěn)定性提高，路基不均勻沉降降低，表明Cvisc模型能較好地反映地基土減速蠕變過程。

2)樁承式加筋土擋墻具有很好的穩(wěn)定性與承載性能，能有效改善軟黏性地基土流變產(chǎn)生的大變形，也可減小拓寬后既有路基和拓寬路基的不均勻沉降，降低橋頭跳車及路面破壞的可能。

3)新老路基均設(shè)樁，能有效減少路基不均勻沉降，若拓寬前地基土流變?nèi)晕词諗壳壹扔新坊丛O(shè)樁，可考慮在填筑拓寬路基時(shí)適當(dāng)增加橫坡比。

4)利用樁承式加筋土擋墻拓寬不僅能降低拓寬路基對既有路基的影響，還能減少拓寬路基頂面沉降。