楊志偉，楊東興，江振華，申啟華

(1.中山市交通項目建設有限公司，廣東 中山 528403; 2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014; 3.東南大學智能運輸研究中心，江蘇 南京 211189)

1 概述

廣東省中山市地處我國東南沿海，道路下臥層為深厚軟土。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，沙港公路沿線逐漸街道化、交通量不斷上升、重載車輛增加，經(jīng)過20多年車輛荷載作用，道路條件較差，不能滿足車輛通行的要求，因而對其進行擴建改造。然而由于下部軟土的作用，新擴建部分即使采用攪拌樁處理，仍會產(chǎn)生較大的沉降，進而在新老路交接處產(chǎn)生不均勻沉降，嚴重時會產(chǎn)生縱向裂縫，破壞道路的結構、承載力下降，影響道路壽命。

軟土的存在往往會對其上部的構造物產(chǎn)生不良的影響。針對軟土地基的處理，研究者大多采用砂墊層法、表層排水法、水泥攪拌技術、換填、爆破排淤等方法提高軟土地基的承載能力[1-5]。

針對軟土地基道路拓寬的不均勻沉降問題，學者從不同的角度開展了研究。柯勝旺[6]從內因和外因兩個方面做出解釋，并且認為在對新舊路堤交接處采用樁板復合地基在控制差異沉降和側移等方面比水泥攪拌樁復合地基的效果要好。侯志峰[7]利用有限元計算軟件ANSYS15.0對新老路基沉降規(guī)律進行研究，認為鋪設土工格柵對控制新老路基的差異沉降效果明顯。朱紹勛[8]分析了天然地基、攪拌樁地基和樁板式復合地基情況下的新舊路基的差異沉降，進而總結了不同地基處理下的效果以及相應的沉降規(guī)律。劉權[9]認為對于擴寬路基，在老路中心產(chǎn)生的沉降最小，在新路肩邊緣靠里一點的沉降最大，并且雙側拓寬相對于單側拓寬產(chǎn)生的不均勻沉降要小。

本文針對軟土地基老路拓寬過程中即使對新建道路采用攪拌樁處理也可能出現(xiàn)的不均勻沉降的問題，采用ABAQUS有限元模型分別模擬了無處理、12 m樁處理及12 m樁和雙層筋網(wǎng)夾水泥土處理下道路的沉降，根據(jù)模擬結果進行對比分析，提出了采用樁和雙層筋網(wǎng)夾水泥復合處治的新方式解決道路拓寬的不均勻沉降問題。

2 工程簡介及處治新方式

2.1 工程簡介

以廣東省中山市沙港公路(沙朗至中山港大橋)為依托，工程項目所處地區(qū)下部主要有含水率高、滲透性差、壓縮性高的粉質黏土、淤泥質黏土等，厚度約38 m～54 m。老路為水泥混凝土路面，老路路基土經(jīng)過多年的荷載作用被壓實，剛度有所提高，但其具體模量很難準確測定。有資料[10]指出，軟土路基經(jīng)過半年超載預壓后土體的彈性模量與路基原狀土彈性模量的比值最高可達2.5∶1，而中山沙港公路經(jīng)過20多年的荷載作用，老路土基的彈性模量勢必會更大。新老路土基之間的模量差，必然導致新老路拼接處產(chǎn)生較大的差異性沉降，盡管在新建道路的土基中采用攪拌樁軟土增強處理，為保障新老路面的平整性及預防可能出現(xiàn)的拼接處縱向開裂，提出增設新老路基土交界處上部雙層筋網(wǎng)夾水泥土結構設計。

2.2 不均勻沉降處治新方式

針對上述所提出的問題多采用攪拌樁進行處理以減少新老路兩側的差異沉降量?，F(xiàn)在沙港公路的軟土地基中采用12 m的樁處理，但是實際情況下仍然會產(chǎn)生差異沉降的不良結果，因而提出改進方法：在設置12 m攪拌樁的基礎上，同時在新老路土基交接處設置由兩層加筋板、兩層格柵與一層水泥土組成的兩層筋網(wǎng)夾水泥結構。

具體的操作方法為：新路土基首先布設水泥攪拌樁，然后在老路板上部鋪設加筋板條，其上鋪設鋼塑格柵進行固定，然后在新建道路以及距老路板邊緣2 m的范圍內鋪設30 cm厚的水泥土，緊接著再布設第二層的加筋板條和第二層的鋼塑格柵，且第二層的加筋板條與第一層的加筋板條在沿道路方向交錯布置。布置詳情見圖1。

上述的處治方式，本質上是緩和新老路的不均勻沉降，使沉降過渡平緩，減少縱向裂縫，提高道路的平整度和使用年限。

3 老路拓寬路基不同處治方式的有限元建模及結構參數(shù)

為驗證新型處治方式的效果，現(xiàn)采用ABAQUS有限元軟件建立新老土基模量比為1∶1.3，1∶1.6，1∶1.9，1∶2.2和1∶2.5條件下的不同處理方式的模型。模型按實際工程路基尺寸1∶1建立：老路板寬14 m，厚0.26 m，老路基深3 m，在老路基下部為老路土基。拓寬后，路面寬度為42 m，面層厚度為0.18 m，基層厚度為0.54 m，墊層0.24 m，路基填土厚0.8 m，路基邊坡坡率為1∶1.5。并采取長度為12 m、直徑為0.5 m的攪拌樁對新路土基進行處治。為消除邊界條件的影響，取地基深度為40 m，寬度為65 m。由于是在老路板邊緣進行雙側拓寬，故模型僅構建半幅即可。

3.1 無處理時有限元模型與結構參數(shù)

根據(jù)上述內容建立有限元模型，在建立加寬的路基模型上施加道路自重和車輛荷載，從而可計算出路基橫斷面各點處未經(jīng)處治的沉降量。具體模型如圖2所示。

面層、基層和底基層采用線彈性模型，路基和土基采用摩爾庫侖彈塑性模型。左右兩側設置x軸橫向位移約束和彎矩約束，底部做固定約束。設置車道的均布荷載為13 kPa。道路各層位的材料參數(shù)如表1所示。

表1 道路各層位的材料參數(shù)

3.2 攪拌樁處理下有限元模型及結構參數(shù)

在無處理基礎上，對新路土基進行水泥攪拌樁處理。邊界條件不變，土基仍舊采用摩爾庫侖彈塑性模型。在圖2的基礎上，在新路土基部分用12 m長、樁間距為1.3 m、直徑為0.5 m攪拌樁處理。

根據(jù)實際工程，可以得到材料參數(shù)如表2所示。

表2 模型中土基新增材料參數(shù)表

3.3 樁加筋網(wǎng)夾水泥土的有限元模型及結構參數(shù)

在樁處治地基模型的基礎上，在老路板上方增加雙層筋網(wǎng)夾水泥土結構層，如圖3所示。其中加筋板長5 m，鋼塑格柵長4 m土工格柵和水泥土長16 m布滿主道，水泥土厚0.3 m。將加筋板按照剛度等效原理等效為沿道路方向延伸的板。土工格柵采用Truss(T2D2)單元類型，加筋板采用Beam(B21)單元類型進行模擬，格柵和加筋板與土的接觸采用Embedded region約束來處理。格柵、加筋板水泥土的本構關系為線彈性，土層材料采用Mohr-Coulomb模型。具體參數(shù)如表3所示。

表3 加強結構層材料參數(shù)

4 不同處治方式模擬結果分析

根據(jù)第3節(jié)中不同處治方式有限元模型的建立，可得無處理和僅有12 m樁處理條件下的沉降曲線圖，如圖4所示。

圖4(a)為路表各點沉降的絕對值。從圖中可以看出最大沉降值出現(xiàn)的位置在道路邊緣且略偏內側，這與劉權的結論相一致。并且隨著模量比的減小，在新老路交接處的沉降曲線的曲率越大，表明在該模量比下新老路交界處產(chǎn)生的沉降量及沉降差更大，有較大的變形趨勢。

圖4(b)為12 m樁處理下路表各點15 a后的沉降值。根據(jù)曲線變化趨勢可知：12 m樁處理對新老路土基模量比為1∶2.2時的處治效果最好。模量比不大于1∶2.2時，沉降變化趨勢同無處理的變化趨勢相同；而模量比大于1∶2.2時，沉降趨勢發(fā)生改變，擴建道路部分有向上拱起的趨勢，模量比越大在道路邊緣的拱起量越大，且最大處位于新建道路邊緣。圖4(b)說明即使采取12 m攪拌樁對新路地基進行處理，在新老路拼接處仍然會發(fā)生差異性沉降。

圖5為在新老路土基模量比為1∶1.3，1∶1.6，1∶1.9，1∶2.2以及1∶2.5條件下，僅采用12 m樁處理、塑料板筋網(wǎng)結構和12 m樁共同處理以及鋼板筋網(wǎng)結構和12 m 樁共同處理不同工況下的有限元模擬出的沉降對比圖。

圖5(a)～圖5(c)表現(xiàn)了雖然新老路模量比有差異，處理方式不同，但是不同處理方式下沉降曲線的變化趨勢則相同，三條曲線基本上重合；從細微處來看，在新老路模量比為1∶1.3，1∶1.6和1∶1.9條件下，僅采用12 m 樁處理產(chǎn)生的沉降量要稍大于采取其他兩種方式處理的沉降量；將圖5(a)～圖5(c)整體進行對比分析，可以看到隨著模量比的變小，沉降量由142 mm變?yōu)?21 mm，最終變?yōu)?07 mm。

從圖5(d),圖5(e)中可得：在新老路模量比為1∶2.2和新老路模量比為1∶2.5時，不同處治方式的沉降曲線有顯著差異。在單個圖中，僅采用12 m樁處理產(chǎn)生較大的沉降，而采用塑料板筋網(wǎng)+12 m樁的沉降曲線與鋼板筋網(wǎng)結構+12 m樁的沉降曲線大致相同，基本上重合在一起。說明采用塑料板筋網(wǎng)+12 m樁的處理效果與鋼板筋網(wǎng)結構+12 m樁的處理效果大體相同。

圖5(e)則表示了在新老路模量比為1∶2.5時，僅采用12 m的樁處理在新老路交接處仍會產(chǎn)生差異沉降，即在新老路拼接處僅采用12 m樁處理的沉降變化率要明顯大于采用樁加筋網(wǎng)夾水泥土結構處理在該點的變化率，且采用鋼板筋網(wǎng)結構與采用塑料板筋網(wǎng)結構的效果大致相同。采用樁和筋網(wǎng)夾水泥土結構能夠有效緩解不均勻沉降問題，且筋網(wǎng)選擇鋼筋還是塑料條板的差異不大。

5 監(jiān)測驗證

對中山市沙港公路二標段進行實地監(jiān)測，得到不同處理方式下路面下13 m的沉降曲線。詳細沉降曲線圖如圖6所示。

圖6(a)中由于老路板經(jīng)過多年的沉降與車輛荷載的作用，該處的沉降量相對較少，并且在新建道路上布置有12 m的攪拌樁，同時在新老路交界處，采用鋼條板-鋼塑格柵-水泥土-鋼條板-土工格柵共同處理。根據(jù)監(jiān)測結果顯示，路基下部13 m處老路板邊緣的沉降量相對來說最少，并且目前沉降量已經(jīng)趨于穩(wěn)定。但是從總體上來看，在老路板中央和老路板邊緣之間的差異沉降差不多僅為5 mm，在新老路交界處的差異沉降量較小。采用此處理方法，能夠有效的改善新老路的不均勻沉降問題。

圖6(b)為二標塑料條板處理+12 m樁共同處理下的-13 m的沉降曲線。目前兩條沉降曲線都趨于平緩，并且二者大約相差15 mm，相對于二者之間的橫向間距，15 mm的沉降量并不大，即采用塑料條板+12 m樁處理后該路段在老路板邊緣和老路板中央的差異沉降較小。

如圖6(c)所示，當新老路交接處僅采用12 m樁處理時，在距地面下13 m處測得老路板中央的沉降量要小于老路板邊緣。并且在老路板中央的沉降曲線有逐漸平穩(wěn)的趨勢，而在老路板邊緣沉降還在不斷發(fā)展。

6 結論

在老路拓寬工程中，由于老路經(jīng)過多年沉降以及車輛荷載的作用，沉降趨于穩(wěn)定，模量增大。新老路土基設置不同的模量比，通過ABAQUS有限元軟件計算道路拓寬未處治時、僅采用12 m攪拌樁處理以及采用12 m樁和雙層筋網(wǎng)夾水泥土結構下的沉降變化曲線，得到如下結論：

1)新老路土基模量比越小，道路表面各點的沉降數(shù)值越小、道路表面與老路中心相對沉降值越大、不均勻沉降量越大；最大沉降處于新建道路邊緣外側部位，且隨著模量的減小，最大沉降點向外側移動。

2)采用12 m樁處理能夠降低沉降量，且新老路土基模量比為1∶2.2時采用12 m的攪拌樁能夠較好的處理不均勻沉降問題。

3)在采用水泥攪拌樁以及雙層筋網(wǎng)夾水泥土復合地基方式處理時，二者效果相似。由于鋼板筋網(wǎng)易于腐蝕，在工程中更傾向于選擇塑料板筋網(wǎng)結構。