摘要：文章基于某高速公路路基沉降的應(yīng)急搶險加固工程，提出了一種聯(lián)合建模數(shù)值模擬分析方法，以研究“錨筋樁+鋼筋混凝土板”加固方案對地基沉降變形的影響。首先，運(yùn)用Bentley三維地質(zhì)建模軟件建立巖土層面模型，并提取錨筋樁位置的巖面高程數(shù)據(jù)；其次，利用Midas GTS NX高級巖土工程仿真平臺，構(gòu)建三維模型并進(jìn)行計算與分析。研究結(jié)果顯示：“錨筋樁+鋼筋混凝土板”的加固方案在控制地基沉降方面效果顯著，其工作性能優(yōu)于僅采用錨筋樁或鋼筋混凝土板的單一加固方案；隨著錨筋樁長度的增加，路基沉降的最大值位置從路基中心逐漸向加固區(qū)外側(cè)轉(zhuǎn)移。通過模擬和對比監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了Bentley和Midas GTS NX聯(lián)合建模的方法能夠提高數(shù)值模擬效率并準(zhǔn)確預(yù)測路基變形沉降規(guī)律，該方法在應(yīng)對高速公路路基沉降應(yīng)急搶險加固工程中具有重要的應(yīng)用價值和理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：路基沉降；錨筋樁；聯(lián)合建模；數(shù)值模擬

中圖分類號：U416" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）06-0001-05

0 引言

經(jīng)過30多年的建設(shè)和發(fā)展，我國高速公路的通車總里程已經(jīng)超過17萬公里（170 000 km）。然而，在高速公路的運(yùn)營與養(yǎng)護(hù)過程中，因前期施工質(zhì)量不佳、頂管（盾構(gòu)）跨線施工干擾及路基排水不暢等問題，路基沉降現(xiàn)象頻發(fā)。此類沉降不僅影響道路平整度和行車舒適度，還易引發(fā)路面龜裂、瀝青層剝離等嚴(yán)重病害，直接威脅行車安全。因此，路基沉降加固技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，許多學(xué)者對此進(jìn)行了探索。例如：高程鵬等［1］針對頂管引發(fā)的路面沉陷，采用“注漿加固+樹根樁托換”加固的組合措施進(jìn)行了修復(fù)；趙亞軍［2］提出了一種新的路基沉降注漿施工技術(shù)，有效降低了路基沉降風(fēng)險；羅勇強(qiáng)［3］通過相似模型試驗和有限元分析，驗證了傾斜旋噴樁加固軟基的方法在控制沉降方面的有效性；楊立等［4］利用Midas GTS NX軟件建立有限元模型，研究了水泥攪拌樁處理軟基后的沉降規(guī)律。此外，還有其他學(xué)者從沉降機(jī)理、施工技術(shù)優(yōu)化、數(shù)值模擬等方面對路基沉降進(jìn)行了深入研究［5-14］。

錨筋樁作為一種能夠深入地層的豎向受力構(gòu)件，在依靠自身強(qiáng)度的同時，增加了樁間土的承載力，使路基整體的力學(xué)特性得到顯著提高。由于其具有施工速度快、場地適應(yīng)性強(qiáng)、對現(xiàn)有工程破壞小等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于建筑物地基與邊坡加固領(lǐng)域。雖然錨筋樁在軟土地基加固方面已取得一定成果，但是在路基沉降治理中的應(yīng)用仍較少，主要是由于相關(guān)理論研究尚不夠完善，特別是不同長度錨筋樁對路基沉降抑制效果的影響機(jī)制尚不明確?；诋?dāng)前研究現(xiàn)狀和存在的問題，本文針對某高速公路因輸氣管道下穿施工引發(fā)的路基路面沉降難題，提出了一種采用Bentley和Midas GTS NX聯(lián)合建模的方法，并結(jié)合“錨筋樁+鋼筋混凝土板”的方案，進(jìn)行路基沉降應(yīng)急搶險與加固處理。首先，利用Bentley三維地質(zhì)建模軟件解譯地質(zhì)信息，并提取每個錨筋樁位置處的巖面高程；其次，結(jié)合Midas GTS NX軟件建立三維模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析；最后，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果，確定最優(yōu)的施工方案，并結(jié)合施工后的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證該方案的可靠性。本研究旨在為類似工程項目提供方法論指導(dǎo)和經(jīng)驗借鑒。

1 錨筋樁加固方案設(shè)計

1.1 工程概況

廣西某高速公路K971+697段為填方路堤，填方高度為6 m。由于輸氣管道下穿公路，因此需要進(jìn)行泥水平衡頂管施工。施工過程中，路面出現(xiàn)明顯的下沉跡象，并伴有兩側(cè)橫向裂縫（見圖1），同時一側(cè)填方路堤邊坡發(fā)生了小型塌陷（見圖2）。雖然已對局部明顯沉降路面進(jìn)行了修補(bǔ)，但是沉降情況仍持續(xù)加劇，對道路安全造成嚴(yán)重威脅。因此，需要對路基進(jìn)行沉降應(yīng)急搶險處治。

工程地處溶蝕剝蝕丘陵壟崗地貌區(qū)，場地覆蓋層為殘坡積堆積物。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探結(jié)果，場地地層主要由第四系堆積層（Q4ml）、第四系沖洪積層（Q4al+pl）、第四系殘坡積層（Q4el+dl）及石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階下段地層（C1y1）組成，地層性狀見表1。

1.2 路基塌陷機(jī)理分析

在本工程路段，路面及其兩側(cè)坡面出現(xiàn)開裂，隨后持續(xù)變形，最終形成沿燃?xì)夤艿婪较蜓由斓膸钕掳汲两祬^(qū)，裂縫寬度為6～15 mm。為評估沉降狀況，沿高速公路橫斷面布設(shè)了6個沉降監(jiān)測點(diǎn)，連續(xù)4天的觀測記錄顯示：左幅路面靠近中央隔離帶觀測點(diǎn)的沉降值為15.15 mm，第二車道及應(yīng)急車道監(jiān)測點(diǎn)的沉降值均為10.30 mm；右幅路面監(jiān)測點(diǎn)沉降量范圍為22.26～27.88 mm。后期監(jiān)測資料顯示，路面沉降趨勢轉(zhuǎn)為緩慢。頂管施工完成后，回收井基坑外側(cè)填方邊坡上出現(xiàn)了一處長2.2 m、寬1.0 m、深0.60 m 的塌陷坑。

依據(jù)鉆探與物探的結(jié)果，該場地地質(zhì)條件復(fù)雜，路基下方緊鄰的伏基巖面區(qū)域溶蝕裂縫發(fā)育，形成眾多地下水補(bǔ)給與排泄通道，導(dǎo)致水位波動變化較大。在右幅路基段，頂管施工穿越區(qū)域呈半巖半土特性，即上部為黏土層，下部為中風(fēng)化灰?guī)r，并且?guī)r面附近的黏土具有較強(qiáng)的水敏性。采用頂管泥水平衡法施工時，由于存在上軟下硬的地質(zhì)條件，因此鉆頭掘進(jìn)時，黏土層的切削速度快于灰?guī)r層，為維持掘進(jìn)平衡及內(nèi)部泥漿壓力平衡，上部黏土不斷被軟化、擾動并轉(zhuǎn)化為泥漿填充物，其影響范圍因掘進(jìn)速度不匹配而不斷擴(kuò)大。因該段溶蝕裂縫發(fā)育密集，地下水補(bǔ)給與排泄通道較多，頂管作業(yè)需消耗更多的泥漿以維持壓力平衡，導(dǎo)致大量土體損失，并加劇施工擾動范圍內(nèi)的土體軟化。路基塌陷的機(jī)理主要有以下幾點(diǎn)。

（1）頂管施工過程中，泥漿流失帶走大量軟化后的頂部黏土，使土層損失遠(yuǎn)超正常情況，根據(jù)Peck理論及實(shí)踐經(jīng)驗，此土層損失是路基快速變形的主要因素，并且沉降速度與土層損失量成正比。

（2）后期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)路基的緩慢變形源于土體軟化后在自重及附加荷載作用下的固結(jié)變形過程，其變形時長受土體滲透性影響。

（3）泥漿流失引發(fā)泥漿壓力失衡，促使土體發(fā)生主動破壞，為路基塌陷創(chuàng)造了條件。

（4）隨著頂管施工的不斷觸發(fā)，泥漿循環(huán)置換加劇，管道附近區(qū)域土體軟化范圍不斷擴(kuò)大，形成結(jié)構(gòu)性破壞的軟弱下臥層，破壞了原有土體結(jié)構(gòu)的受力平衡。當(dāng)路基及其下土層承受的自重和車輛荷載達(dá)到極限，加之土層損失引發(fā)快速沉降，最終導(dǎo)致路面沉降變形破壞。

可見，復(fù)雜的場地工程地質(zhì)條件是路基沉降塌陷的內(nèi)在根源，而頂管施工活動則是直接誘因。為在確保通氣和通車的前提下，迅速地處置路基沉降問題，并尋求根本性解決方案，需采用施工機(jī)械簡便、快速高效的路基加固方案。本文提出的錨筋樁加固方法具有施工速度快、所需機(jī)械設(shè)備體積小、干法作業(yè)對地質(zhì)條件影響小的特點(diǎn)，尤其適用于本項目。經(jīng)分析，決定采用錨筋樁加固地基并覆以鋼筋混凝土板的方式進(jìn)行沉降應(yīng)急搶險處治。頂管施工示意圖見圖3。

1.3 錨筋樁的設(shè)計和布置

將錨筋樁作為地基豎向加固構(gòu)件時，其作用原理在于通過樁底深入地層，增強(qiáng)錨筋體與周圍土層的黏結(jié)摩擦，并結(jié)合樁端巖土的嵌固作用，將上部荷載傳遞至深層巖土體，使樁和樁間土共同承擔(dān)上部荷載，從而提升地基整體承載力并減少沉降。在承受上部荷載時，錨筋樁和樁間土根據(jù)各自的土層摩擦力分擔(dān)荷載。由于錨筋樁的彈性模量遠(yuǎn)大于樁間土，導(dǎo)致樁間土的沉降量相對較大，因此會產(chǎn)生樁與樁間土的相對位移。為優(yōu)化錨筋樁的荷載性能，需要考慮在樁頂設(shè)置褥墊層或整體剛性板，使荷載集中傳遞至樁體，才能確保錨筋樁在豎向荷載作用下表現(xiàn)出良好的整體性。此外，為兼顧施工安全和處治效果，必須同時考慮燃?xì)夤軆蓚?cè)錨筋樁的跨徑和樁長設(shè)定。本次設(shè)計錨筋樁跨徑為5 m，樁間距為1.5 m×1.5 m；同時，設(shè)計了以下4種不同的樁端深度進(jìn)行比較分析：巖面以上1.5 m、抵達(dá)巖面處、入巖1.5 m及入巖3 m。錨筋樁跨徑及樁長布置示意圖見圖4。

然而，僅將錨筋樁與表面土層連接可能會因應(yīng)力分布不均而誘發(fā)局部地表塌陷，違反了地基沉降處治的要求。為最大限度地發(fā)揮錨筋樁的承載力，并在不增加錨筋樁布置密度的前提下，減少局部沉降的負(fù)面影響，提出了3種加固方案：一是“錨筋樁+鋼筋混凝土板” 方案，二是單一錨筋樁方案，三是單獨(dú)使用鋼筋混凝土板方案。通過數(shù)值模擬分析，比較和評估這3種方案的實(shí)際效果，以確定最有利的應(yīng)用方案。

2 錨筋樁加固有限元分析

2.1 聯(lián)合建模及樁長確定

選取某高速公路K971+697段頂管施工沉降路基路面為研究對象，進(jìn)行三維地質(zhì)建模和數(shù)值模擬計算。由于現(xiàn)有的三維地質(zhì)數(shù)值模擬軟件難以同時兼顧復(fù)雜地質(zhì)建模和精確數(shù)值計算的要求，尤其是處理含有透鏡體、地質(zhì)錯層、巖面劇烈起伏等復(fù)雜地質(zhì)情況時，建模難度大，即使投入大量時間，建立的地質(zhì)模型仍可能難以精確反映實(shí)際地質(zhì)條件，因此為了提升建模和計算效率，通常采用簡化模型進(jìn)行建模和計算［15-16］。然而，這種方式的弊端在于無法真實(shí)地還原復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的細(xì)節(jié)，可能導(dǎo)致數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生較大偏差，這種偏差不僅會誤導(dǎo)設(shè)計，甚至為工程留下重大安全隱患。

為了確保地質(zhì)模型能夠真實(shí)地反映實(shí)際地質(zhì)狀況，本文選擇了Bentley和Midas GTS NX聯(lián)合建模的方式。具體而言，首先利用Bentley三維地質(zhì)建模軟件，根據(jù)鉆探、物探等地質(zhì)數(shù)據(jù)，解譯并擬合生成三維地層面，同時根據(jù)每個錨筋樁的平面坐標(biāo)，提取各樁位處的基巖面高程，結(jié)合樁頂設(shè)計標(biāo)高和入巖深度要求，快速得到錨筋樁的樁長并建立線狀錨筋樁模型。然后，將三維地層面模型和錨筋樁模型導(dǎo)入Midas GTS NX數(shù)值模擬平臺，進(jìn)行進(jìn)一步建模和計算。這一聯(lián)合建模具有明顯的優(yōu)勢：在面對灰?guī)r巖面劇烈起伏的復(fù)雜地質(zhì)條件時，能夠在建模和設(shè)計階段準(zhǔn)確把控的錨筋樁樁長和入巖深度，并盡可能地還原現(xiàn)場的地質(zhì)條件，確保了模型的準(zhǔn)確性和計算的可靠性，并有助于降低工程造價。聯(lián)合建模流程圖見圖5。

2.2 參數(shù)及模型計算

將Bentley軟件構(gòu)建的地質(zhì)模型及其相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Midas GTS NX軟件后，按照1∶1的比例建立三維實(shí)體模型（見圖6）。該模型中，路基及土層部分采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬，錨筋樁采用1D梁單元進(jìn)行表征。模型長度為48 m，寬度為45 m，從上至下共分為7層實(shí)體單元。模型底面采用固定約束，四周采用法向約束，頂面為自由邊界。巖土體采用Mohr Coulomb本構(gòu)模型，錨筋樁及鋼筋混凝土板采用彈性模型。巖土體力學(xué)參數(shù)見表2。

鋼筋混凝土板厚度設(shè)定為0.5 m，錨筋樁跨徑設(shè)置為5 m，并設(shè)定了4種不同的樁長條件（即樁端距巖面以上1.5m、抵達(dá)巖面處、入巖1.5m、入巖3m）。通過以上設(shè)定計算模型在給定條件下的應(yīng)力分布與變形值。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在分析不同加固方法對總沉降量的影響時，從模擬結(jié)果中可以獲取每種加固方法下最終沉降量隨錨筋樁底部距巖面距離變化的曲線（見圖7）。

在自然路基狀態(tài)下，路基的最大沉降量為26.335 mm，采用鋼筋混凝土板單獨(dú)加固后，最大沉降量為23.614 mm，沉降減少量僅為2.721mm，表明采用鋼筋混凝土板單獨(dú)加固對路基沉降的改善作用并不明顯。相比之下，加入錨筋樁的加固形式顯著提升了沉降控制效果。隨著錨筋樁入巖深度的增加，其對沉降的抑制效果顯著增強(qiáng)。具體而言，當(dāng)采用“錨筋樁+鋼筋混凝土板”的加固方案，并且錨筋樁達(dá)到最大入巖深度3.0 m時，路面最大沉降量減至1.865 mm，即使單獨(dú)采用錨筋樁加固至同樣深度（3.0m），其最大沉降量僅為5.801 mm，明顯優(yōu)于單獨(dú)采用鋼筋混凝土板的加固效果。因此，對控制沉降控制而言，采用錨筋樁與鋼筋混凝土板相結(jié)合的加固方案效果最佳，單獨(dú)使用錨筋樁次之，而單獨(dú)使用鋼筋混凝土板的效果相對較弱。

對“錨筋樁+鋼筋混凝土板”方案進(jìn)行分析，隨著錨筋樁入土深度的增加，最大沉降量呈逐漸減小的趨勢，并且當(dāng)錨筋樁樁底觸及巖面時，沉降值驟減。然而，一旦樁底入巖后，深度由1. 5 m增加至3.0 m的過程中最大沉降量僅減少0.004 mm，表明斷續(xù)增加錨筋樁的長度對于進(jìn)一步控制沉降的作用逐漸降低?！板^筋樁+鋼筋混凝土板”方案中錨筋樁不同樁長路面沉降云圖見圖8。

隨著錨筋長度的增加，路基最大位移點(diǎn)從中心逐漸向加固區(qū)邊緣轉(zhuǎn)移，并且最大位移值由10.325 mm降低至1.865 mm。同時，路基中心向路肩方向的沉降呈逐漸減小趨勢。

對頂管軸線方向上路基不同位置沉降規(guī)律的分析表明，在未采取加固措施的情況下，路基沉降呈“V”型分布，即距離路基中心3 m處沉降最顯著，而路基外邊緣處沉降量最小。采用“錨筋樁+鋼筋混凝土板”加固方案后，當(dāng)錨筋樁樁底距離巖面1.5 m時，路基沉降自中心向外逐漸減?。ㄒ妶D9）。錨筋樁端抵達(dá)巖面處、入巖1.5 m和入巖3 m的沉降趨勢變化相同，均為距路基中心越遠(yuǎn)，路基沉降越小。隨著錨筋樁端逐漸靠近巖面，其樁側(cè)阻力逐漸增強(qiáng)，尤其是樁端抵達(dá)巖面后其阻力顯著提升，導(dǎo)致錨筋樁的承載力迅速增大，沉降量顯著減少。當(dāng)錨筋樁深入巖層后，對沉降的抑制作用逐漸減小。典型錨筋樁受力云圖見圖10。

綜上所述，路基加固方案選擇錨筋樁與鋼筋混凝土板相結(jié)合，并且錨筋樁入巖深度設(shè)定為1.5 m為最佳。此方案在確保錨筋樁樁端入巖以增強(qiáng)抗滑移能力的同時，還能有效減少沉降，并合理控制工程造價，實(shí)現(xiàn)了最佳加固效果。

2.4 錨筋樁地基的加固效果

圖11為沉降測點(diǎn)布置示意圖，經(jīng)過6個月的累計沉降監(jiān)測，對比加固前后的路面沉降數(shù)據(jù)（見圖12），對比結(jié)果顯示“錨筋樁+鋼筋混凝土板”加固方案顯著降低了路基沉降量，特別是在路基中心區(qū)域，最大監(jiān)測沉降量為1.900 mm，相對未加固的狀態(tài)，沉降量減少達(dá)24.455 mm。模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果基本吻合，表明本文所采用的Bentley三維地質(zhì)建模與Midas GTS NX數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，能最大限度地再現(xiàn)現(xiàn)場復(fù)雜地質(zhì)條件，并能有效評估不同加固方案的效果，準(zhǔn)確預(yù)測路基沉降趨勢。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗證，證明了該方法的科學(xué)合理性和有效性。

3 結(jié)論

本文針對某高速公路路基沉降應(yīng)急搶險處置過程進(jìn)行探討，重點(diǎn)分析了基于錨筋樁加固技術(shù)對公路路基沉降的影響，并創(chuàng)新性地提出“錨筋樁+鋼筋混凝土板”的加固方案。研究過程中，借助Bentley和Midas GTS NX軟件的聯(lián)合應(yīng)用，構(gòu)建了精確的數(shù)值模型，對加固后路基的變形特性進(jìn)行了詳細(xì)的比較與分析，本研究的主要結(jié)論如下。

（1）“錨筋樁+鋼筋混凝土板”加固技術(shù)表現(xiàn)出良好的沉降控制性能，相比未加固狀態(tài)，路基沉降量減少超過92.9%，遠(yuǎn)超單獨(dú)采用錨筋樁（減幅77.9%）或鋼筋混凝土板（減幅10.3%）的加固效果。

（2）在錨筋樁施工的過程中，適當(dāng)增加樁長有助于提高承載能力并減少路基沉降，樁端是否到達(dá)巖面對沉降的控制起決定性作用。當(dāng)樁端入巖深度為1.5 m時，既能保證樁體的穩(wěn)定性，有效較少沉降，又能控制工程造價，因此是最優(yōu)加固方案。

（3）通過對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，驗證了本文提出的Bentley和Midas GTS NX聯(lián)合建模方法的高效性和適用性。利用Bentley三維地質(zhì)建模軟件建立三維地層面并提取每個樁位處的巖面高程，再結(jié)合Midas GTS NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，實(shí)現(xiàn)了對“錨筋樁+鋼筋混凝土板”加固效果的精確評估和分析，提升了設(shè)計計算的效率與準(zhǔn)確性。

以上結(jié)論表明，本文所提出的聯(lián)合建模數(shù)值模擬分析方法及“錨筋樁+鋼筋混凝土板”加固方案，在應(yīng)對公路路基沉降問題上具有顯著的效果和實(shí)際應(yīng)用價值，可為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和工程實(shí)踐提供新的思路。

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*廣西科技計劃項目“棄渣堆場災(zāi)變機(jī)理及智慧預(yù)警處治關(guān)鍵技術(shù)研究”（AB24010043）。

【作者簡介】韋超俊，男，廣西柳州人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計；胡衛(wèi)軍，男，安徽宿松人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計及施工管理；楊忠，男，湖北荊州人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程勘察、設(shè)計及施工管理；邵羽，男，湖北仙桃人，博士，高級工程師，研究方向：特殊巖土與地下工程。

【引用本文】韋超俊，胡衛(wèi)軍，楊忠，等.公路路基沉降中錨筋樁的應(yīng)用及數(shù)值模擬分析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（6）：1-5.