李 吉，謝雨廷，曾 鵬，朱 明，程 攀

(1. 南京市江北新區(qū)公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 211500； 2. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 3. 衡陽北控水資源管理有限公司，湖南 衡陽 421200； 4. 江蘇中禹水利建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223001)

長江沿線城市濱水道路集防洪、交通、岸線景觀等功能為一體，具有重要的自然生態(tài)功能和社會服務(wù)功能，是提升城市整體防洪能力、維護城市生態(tài)系統(tǒng)安全、彰顯濱江城市特色的強有力支撐，具有顯著的綜合效益。由于堤路改造工程新舊堤防存在土性參數(shù)的差異性和幾何形態(tài)變異性，因此在建設(shè)過程中面臨差異沉降控制與滲透變形破壞防控等諸多難題。目前已有許多學者開展了相關(guān)研究：汪小茂等[1]對采用堤路結(jié)合形式修建的武漢市濱江大道進行研究，提出了堤路結(jié)合工程在布置形式、銜接處理及壓實度標準等關(guān)鍵問題的工程設(shè)計建議；胡曉紅等[2]對堤路結(jié)合的路基差異沉降控制技術(shù)進行研究，提出堤防道路改造全要素理念，并成功應(yīng)用于武漢市漢口至陽邏江北快速路、長江主軸右岸大道等堤防道路，為堤防道路的設(shè)計提供借鑒；占鑫杰等[3]以南京市某堤防拓寬工程為例，建立數(shù)值計算模型研究了新老堤相互作用，并提出開挖臺階結(jié)合土工格柵的施工工藝，以減小堤身的變形和差異沉降；李昂等[4]結(jié)合長江干堤防洪能力提升工程，提出利用開挖臺階聯(lián)合土工格柵的方式對結(jié)合面進行加固。

南京江北新區(qū)堤路改造工程沿線地基土地質(zhì)條件較差，場地沿線廣泛分布著軟土（主要為淤泥質(zhì)土）層，新舊堤防下部軟土地基固結(jié)程度的不同也容易產(chǎn)生差異沉降，過大的差異沉降常會導致堤防結(jié)合部產(chǎn)生裂縫，進而影響堤防的長期穩(wěn)定。目前，國內(nèi)外已有軟土路基差異沉降控制的相關(guān)研究：章海明[5]基于土體固結(jié)理論，運用有限元方法對高速公路軟土路基差異沉降進行分析，驗證采用粉噴樁加固軟土地基的處治效果；趙明華等[6]對濱海道路軟土路基特性進行相關(guān)研究，提出沉降預測模型；Yu 等[7]認為路面裂縫的產(chǎn)生主要由路基處理不當導致，通過數(shù)值計算證明可以使用輕質(zhì)填充材料減小路堤沉降；宋書昌[8]通過一維和三維蠕變試驗，揭示了沿海公路軟土路基長期沉降機理；Hao 等[9]通過對岸坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究，驗證了新老堤的滲透系數(shù)比對新堤壩邊坡穩(wěn)定性影響顯著；張軍輝[10]運用有限元方法，對不同施工方法下軟土地區(qū)新老堤的沉降進行數(shù)值模擬，得出新路基優(yōu)先采用復合地基處理方法可降低對施工期老堤的擾動，并減小新老堤的工后沉降。雖然國內(nèi)外學者對新老堤的差異沉降問題展開了大量研究，但缺乏對差異沉降的控制效果進行綜合評價研究。

實際工程通常會結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對地基的沉降發(fā)展進行預測，從而驗證和評估沉降控制效果。雙曲線法根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行擬合預測，并假定沉降曲線按沉降平均速度呈雙曲線遞減的規(guī)律變化，是當前應(yīng)用較廣的一種經(jīng)驗方法。有學者[11-12]利用雙曲線法分別對采用深層水泥攪拌(deep cement mixing, DCM)樁的軟土路基和鋪設(shè)土工格柵的黃土路基沉降進行預測，根據(jù)擬合優(yōu)度驗證了雙曲線法在不同處理方式下路基沉降預測的應(yīng)用可行性。本文結(jié)合南京江北新區(qū)堤防加寬道路改造工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，提出堤路改造工程中軟土路基的處理方案，并結(jié)合雙曲線法分析評價設(shè)計方案的差異沉降控制效果。

1 江北新區(qū)堤防加寬道路改造工程概況

南京江北新區(qū)堤防加寬道路改造工程上起南京長江三橋、下至浦儀公路，場地沿線廣泛分布著軟土地基，其中主要為兩類軟土軟土[13]：①-3 層淤泥和②-2 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。現(xiàn)狀堤防經(jīng)多年運行，下覆軟土地基的固結(jié)沉降已基本完成，新建路堤在上覆堤身荷載作用下，易在新老堤結(jié)合處產(chǎn)生差異沉降，如不采取相應(yīng)的加固處理措施，容易造成堤防道路拉裂破壞。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013），路基容許工后沉降值如下：（1）橋臺與路堤相鄰處≤10 cm；（2）涵洞、箱涵、通道處≤20 cm；（3）一般路段≤30 cm。根據(jù)該地軟土地基特點，結(jié)合工程實際，需從穩(wěn)定和沉降兩個方面分析，確保路基穩(wěn)定的同時控制工后沉降，通過對沉降的分析計算，擬定需要處理的軟基路段，選取安全經(jīng)濟的措施進行處理。

2 數(shù)值建模及差異沉降控制方案設(shè)計

2.1 數(shù)值模型方案及參數(shù)

根據(jù)堤路工程設(shè)計方案與工程地勘資料，選取填筑高度較高的K0+500 斷面進行數(shù)值模擬分析，該斷面屬于典型的新路-舊堤結(jié)合斷面，針對3 種處理方案開展計算分析，具體見表1。數(shù)值模擬計算參考汪璋淳等[14]的有限元建模方案，地基土、新路堤填土、褥墊層及DCM 樁使用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，路面結(jié)構(gòu)層與土工加筋使用彈性本構(gòu)模型，主要材料的物理力學參數(shù)見表2。

表1 3 種處理方案下的數(shù)值模型對比Tab. 1 Comparison of numerical models under three schemes

表2 數(shù)值模型參數(shù)Tab. 2 Parameters of numerical models

2.2 平面應(yīng)變模型等效

本文通過建立二維平面應(yīng)變模型對不同方案進行分析對比，其中在DCM 樁數(shù)值模型建立中需要對水泥土樁進行平面應(yīng)變等效處理。水泥土樁復合地基屬于柔性樁復合地基，按照《復合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50783—2012），參考汪璋淳等[14]的建模方案，將正三角形布置的深層水泥攪拌樁轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變樁墻，不改變樁間距及樁徑，按照復合模量等效的思路進行轉(zhuǎn)換可得：

式中：Ep3、Ep2分別為三維工況和平面應(yīng)變等效工況下樁的彈性模量；m3、m2分別為三維工況和平面應(yīng)變等效工況下樁的面積置換率；Es為多層土的復合彈性模量。取路中心斷面為計算斷面，Es 按照如下厚度加權(quán)公式進行計算：

式中：n為土層數(shù)；hs為樁長；hi、Ei分別為樁長范圍內(nèi)各層土的厚度及彈性模量。實際三維情況的深層水泥攪拌樁，其樁身28 d 無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa，壓縮模量可取樁體水泥土強度的100~200 倍（取180 MPa），泊松比取0.25，換算后彈性模量為Ep3=150 MPa，置換率m3=14.5%。對于二維平面應(yīng)變情況，m2=0.6/1.5=40%。根據(jù)以上參數(shù)，求得Ep2= 56 MPa。

2.3 荷載、特征點、填筑設(shè)置

在數(shù)值模型的填筑過程模擬中，假設(shè)路堤填筑施工期為3 個月，共分5 層填筑，如圖1 所示，工后沉降基準期假設(shè)為10 年。為了對比不同處理方式下的差異沉降控制效果，選取5 個特征點進行分析，分別為老堤防臨水側(cè)坡腳、防浪墻墻腳、老堤防背水側(cè)路肩、新堤防右路肩之下原地表、新堤防路中之下原地表，以DCM 模型為例，5 個特征點分別對應(yīng)圖2 中的A~E。

圖1 路堤分層填筑過程Fig. 1 Diagram of the layered filling process of the embankment

圖2 數(shù)值模擬特征點與DCM 方案網(wǎng)格劃分Fig. 2 Feature points of numerical simulation and DCM condition meshing

2.4 數(shù)值模擬沉降分析

圖3 為新填筑道路中心位置（圖2 中E點）及右路肩位置（圖2 中D點）的沉降發(fā)展曲線，天然堆載與臺階加筋在兩個位置的沉降曲線基本重合，最終沉降分別為715 和623 mm，采用DCM 軟土地基處理技術(shù)，路中與右路肩位置沉降分別縮減為229 和183 mm。分析圖3 中路中斷面原地表的工后沉降，天然堆載、臺階加筋和DCM 處理3 種地基處理方案的工后沉降分別為305、305 和88 mm。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，天然堆載、臺階加筋均不能滿足一般路段工后沉降小于300 mm 的要求，而DCM 處理方案在控制地基沉降方面具有顯著作用，其工后沉降可以滿足規(guī)范要求。

圖3 路面范圍下原地表沉降對比Fig. 3 Comparison of in-situ surface settlements under the pavement range

圖4 為路面范圍內(nèi)工后沉降分布結(jié)果，其中天然堆載方案路面最大工后沉降為305 mm，路中與路肩工后差異沉降值為59 mm；臺階加筋方案路面最大工后沉降及路中與路肩工后差異沉降值分別為305 和57 mm，且這兩種方案的沉降曲線基本重合；DCM 處理方案的路面最大工后沉降為88 mm，路中與路肩工后差異沉降值為15 mm。從數(shù)值計算結(jié)果可以看出臺階加筋處理方法對降低路面差異沉降的作用微弱，而DCM 設(shè)計方案不僅可以顯著減小地基總體沉降變形量，還可以大幅縮減路面工后沉降及差異沉降。

圖4 斷面工后沉降分布Fig. 4 Distribution of post-construction settlement in the cross section

圖5 為3 種工況下最終沉降云圖，臺階加筋與天然堆載工況最終沉降分別為820 和827 mm，最大沉降區(qū)均位于路面寬度之下的原地表位置。DCM 處理工況路面之下原地表沉降量大幅縮減，對應(yīng)圖2 的D、E點沉降分別為183 和229 mm，最大沉降區(qū)位于左側(cè)遠離路面的未進行地基處理的場平堆載區(qū)，沉降極值為706 mm。

圖5 3 種工況下最終沉降云圖Fig. 5 Final settlement nephogram for three working conditions

2.5 數(shù)值模擬水平位移分析

圖6 為3 種工況下最終水平位移云圖。天然堆載工況下，地基最大水平位移為440 mm，發(fā)生在新舊結(jié)合面之下的②-2 軟土層中，距離填筑后地表約10.4 m，臺階加筋工況與天然堆載工況的地基水平位移基本一致；DCM 處理工況的新舊堤結(jié)合面以下地基最大水平位移為110 mm，位于②-2 軟土層頂面處，地基最大水平位移轉(zhuǎn)移至道路左側(cè)場平區(qū)之下的軟土層中，為195 mm，距離地表約12.6 m。計算結(jié)果表明，DCM 復合地基處理同時也能顯著縮小軟基的水平位移。

2.6 差異沉降控制設(shè)計方案

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，在滿足防汛和交通要求條件下，為解決新老路堤的差異沉降及其后續(xù)變形問題，擬采用上部結(jié)合面處置協(xié)同下部地基的聯(lián)合處理技術(shù)對南京江北新區(qū)堤路改造工程進行加固處理。根據(jù)本工程特點，下部軟土地基的處理方案為：對于淺表層軟土，道路布置范圍內(nèi)進行清除換填；對于深層軟土，由于堤路結(jié)合對堤身防滲要求較高，施工時需盡量避免對原狀土擾動，地基處理采用雙向深層水泥攪拌樁法，樁徑60 cm，樁間距1.5 m，樁長10~19 m，按正三角形布置。在堤身結(jié)合面的處置方面，擬采用“土工格柵+錐探灌漿”的處理方案：通過在淺層換填處理與深層攪拌樁處理交接處埋設(shè)三向土工格柵，路堤填筑沉降完成后，對老堤防一級平臺至堤腳部分灌注黏土漿液（圖7）。為進一步保證新老路基拼接的整體性，結(jié)合部采用臺階式的銜接方式。對本路堤結(jié)合段地面橫坡陡于1∶5 的路段設(shè)計選用開挖臺階處理，沿老路坡面開挖臺階，臺階型式采用內(nèi)傾式，如圖8 所示。該方案基于數(shù)值計算的分析結(jié)果，并借鑒了國內(nèi)外的新舊路堤處理經(jīng)驗[15]，較好結(jié)合了本工程實際情況。

圖7 新老路堤結(jié)合面處理方案Fig. 7 Treatment scheme of the joint surface of the old and new embankments

圖8 內(nèi)傾式臺階Fig. 8 Inverted steps

3 堤路改造工程實施效果評價

為了驗證和評估上述差異沉降控制的應(yīng)用效果，在南京江北新區(qū)堤路改造工程建設(shè)中選取K0+500 斷面為試驗監(jiān)測斷面，開展孔隙水壓力、表面沉降和深層水平位移等監(jiān)測工作，通過分析對比數(shù)值模擬和試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)對堤路改造工程的實施效果進行驗證評價，其中剖面布置如圖9 所示。

圖9 監(jiān)測儀器布置Fig. 9 Monitoring instrument layout

3.1 孔壓監(jiān)測成果分析

圖10 為3 種不同技術(shù)方案超靜孔隙水壓力的數(shù)值模擬計算結(jié)果，其中臺階加筋方案與天然堆載方案曲線基本重合，且整體高于DCM 處理方案，最后一次填土完成時刻超靜孔壓達到峰值，達到35.4 kPa，DCM 處理方案的峰值超靜孔壓為20.9 kPa，峰值超靜孔壓與路堤荷載之比分別為0.34、0.20。超靜孔壓的數(shù)值計算結(jié)果表明，DCM 復合地基對上覆填土荷載進行了應(yīng)力重分布，改變了荷載的傳遞，降低了新路堤填筑后主要軟土層產(chǎn)生的超靜孔壓水平。

圖10 軟土層中心位置孔壓變化Fig. 10 Change of pore pressure at the center position of soft soil layer

圖11 為超靜孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算的對比，在路堤填筑過程期間（0~90 d），測得地基主要軟土層中部超靜孔隙水壓力消散規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，路面施工完成時（220 d）測得超靜孔壓約為5.0 kPa，超靜孔隙水壓力大部分消散完成，在上覆堆載作用下地基主要軟土層的壓縮變形大部分已完成，上覆堆載產(chǎn)生的附加應(yīng)力大部分轉(zhuǎn)換成土體的有效應(yīng)力，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 孔壓數(shù)值計算與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig. 11 Comparison of hole pressure numerical calculation and monitoring data

3.2 沉降分析及工后沉降預測

K0+500 斷面實測沉降如圖12 所示，路堤填筑期間斷面沉降速率為0~5 mm/d，未超過10 mm/d 的監(jiān)測預警值。在路堤填筑期間（0~90 d），隨著荷載增加，沉降值逐漸增大，路中、右路肩和左路肩在填筑期產(chǎn)生的沉降分別為107、91 和101 mm。填筑結(jié)束后，地基在恒定荷載作用下沉降發(fā)展穩(wěn)定。3 個位置（路中、右路肩和左路肩）在路面施工完成后（220 d）的沉降分別為139、128 和132 mm。為進一步分析工后沉降的發(fā)展，選取現(xiàn)有研究常用的雙曲線法對工后沉降進行預測，計算公式如下：

圖12 地表沉降監(jiān)測成果Fig. 12 Surface subsidence monitoring results

式中：t為滿載預壓時間；t0為到達滿載的時間；St為滿載t時間的實測沉降量；S0為滿載開始時的實測沉降量；α和β為計算參數(shù)，可根據(jù)實測資料確定。最終沉降量為：S∞=S0+1/β。

圖13 對比了K0+500 斷面路中（S12）和右路肩（S11）的實測結(jié)果、數(shù)值計算結(jié)果和基于實測沉降數(shù)據(jù)的雙曲線法預測結(jié)果，其中雙曲線法與實測數(shù)據(jù)吻合較好，擬合優(yōu)度R2均大于0.97（圖14），驗證了雙曲線法在該加固措施下沉降預測適用性。根據(jù)沉降實測資料預測的路中和右路肩最終沉降量分別為155 和147 mm，剩余沉降分別為16 和20 mm，工后沉降較小。根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，工程結(jié)束前的沉降接近總沉降的90%，與超靜孔隙水壓力消散的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本對應(yīng)?；趯崪y沉降采用雙曲線法預測的運行期路中與右路肩位置的差異沉降始終保持在4 mm 以下，遠遠小于規(guī)范要求的差異沉降臨界值，驗證了本工程采用的DCM 處理技術(shù)對差異沉降控制的有效性。

圖13 地表沉降模擬與監(jiān)測結(jié)果對比Fig. 13 Comparison of surface subsidence simulation and monitoring results

圖14 (t?t0)/(St?S0)與t?t0 關(guān)系曲線Fig. 14 Curve of (t?t0)/(St?S0) and t?t0

3.3 水平位移對比分析

圖15 為施工完成后水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬DCM 方案下的最終水平位移對比。填筑完成后，水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較小，最大偏差僅為1.5 mm 左右，這說明本工程采用的加固處理技術(shù)同時對水平位移具有較好控制效果。此外，實測水平位移自地表向地下分布規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果接近，且最大水平位移發(fā)生的位置均在深度為4 m 左右的軟土層中，實測最大水平位移為13.05 mm，小于數(shù)值模擬結(jié)果的65.89 mm，這表明該工法在實際應(yīng)用中對于土體的變形控制效果更好。

圖15 水平位移數(shù)值計算與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig. 15 Comparison of horizontal displacement numerical calculation and monitoring data

結(jié)合沉降對比分析可知，目前的數(shù)值模擬存在一定的局限性，主要是文中采用的計算模型難以合理考慮土工格柵與土體的相互作用及對下部地基產(chǎn)生的應(yīng)力重分布作用，無法體現(xiàn)土工格柵對地基側(cè)向變形的限制作用，導致數(shù)值計算的水平位移大于實際監(jiān)測值。在后續(xù)的研究工作中可進一步研究土工格柵與土體的相互作用機理，構(gòu)建相應(yīng)的力學模型從而為加寬培厚堤中采用土工格柵控制差異沉降與側(cè)向變形提供理論支撐。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合南京江北新區(qū)堤路改造工程，通過對3 種不同加固措施的沉降進行數(shù)值計算，選取合適的工法對軟土地基進行處理，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和雙曲線法分析評價設(shè)計方案的差異沉降控制效果，得出結(jié)論如下：

（1）根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，DCM 工況下路中與路肩差異沉降僅為15 mm，遠小于天然堆載的59 mm 和臺階加筋的57 mm，說明了DCM 處理對工后沉降和差異沉降控制的有效性，可為堤路改造工程的差異沉降設(shè)計提供參考。

（2）根據(jù)現(xiàn)場試驗斷面監(jiān)測結(jié)果，并結(jié)合雙曲線法分析表明試驗斷面路中與右路肩位置的差異沉降控制在4 mm 以內(nèi)，進一步驗證了上部結(jié)合面處置聯(lián)合下部地基處理在新舊路堤協(xié)調(diào)變形控制的可行性和有效性，可為后續(xù)濱江道路堤防拓寬改造工程的差異沉降問題提供借鑒，具有良好的工程應(yīng)用價值。