■睢向文

（晉城高速公路管理有限公司，晉城 048000）

很多公路運(yùn)營數(shù)年后已無法滿足交通量的需求，亟需進(jìn)行改擴(kuò)建。公路改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)與施工中，應(yīng)優(yōu)先考慮新舊路基之間的差異沉降問題[1]，通常采用開挖臺(tái)階、降低路基填土自重等方式緩解變形。然而，在公路沿線往往分布有軟土地基，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行改擴(kuò)建施工更易產(chǎn)生不均勻沉降。泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密度低、施工簡便[2-3]，可大幅降低路基填土自重荷載，減少工后沉降，進(jìn)而降低路基沉降。在改擴(kuò)建路基沉降施工中，學(xué)者大多采用有限元建立計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值分析[4-5]，對(duì)地基和路基沉降進(jìn)行計(jì)算分析，確定不均勻沉降，用于指導(dǎo)深厚路基改擴(kuò)建施工，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本文結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，在軟土地基施工區(qū)域采用泡沫輕質(zhì)土換填軟基，利用有限元計(jì)算模型計(jì)算路基分層沉降量和孔隙水壓力，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

某高速公路建于20 世紀(jì)90 年代，近幾年交通運(yùn)輸能力和服務(wù)水平已不能滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，亟需進(jìn)行改擴(kuò)建工程。公路原設(shè)計(jì)采用雙向四車道，路基寬度為24.5 m，路基拓寬后為雙向八車道，路基寬度為42.5 m。公路沿線K42+524～K42+753 段為軟土地基，承載力較低，擬采用塑料排水板+堆載預(yù)壓等方法進(jìn)行加固處理。為進(jìn)一步降低工后沉降，采用泡沫輕質(zhì)土換填地基軟土。該區(qū)域軟土地基主要為淤泥質(zhì)土層，含水量高，具有較高的壓縮性。泡沫輕質(zhì)土原材料為粉煤灰和礦渣粉，其配合比為：水泥∶粉煤灰∶礦渣粉∶水=248∶36∶72∶229，水膠比為0.64。泡沫輕質(zhì)土主要指標(biāo)技術(shù)要求如表1 所示。

表1 泡沫輕質(zhì)土主要指標(biāo)技術(shù)要求

2 計(jì)算模型建立與數(shù)值模擬分析

2.1 建立計(jì)算模型

為分析路基變形情況，根據(jù)設(shè)計(jì)資料采用有限元軟件建立計(jì)算模型，建立時(shí)對(duì)實(shí)體進(jìn)行簡化，并作以下假設(shè)：路基沉降按照平面應(yīng)變進(jìn)行模擬分析；地基土采用摩爾—庫倫彈塑性模型分析[6]；假設(shè)舊路基固結(jié)已完成；新舊路基不產(chǎn)生相對(duì)變形。K42+524～K42+753 段主要采用單側(cè)加寬，地基軟土換填2 m 厚的泡沫輕質(zhì)土，泡沫輕質(zhì)土上填筑1 層20 cm厚的碎石墊層，根據(jù)原路基組成結(jié)構(gòu)和新路基設(shè)計(jì)方案建立計(jì)算模型，計(jì)算模型如圖1 所示。邊界條件為：模型兩側(cè)X 方向約束，均不透水；模型底部不透水，X、Y、Z 3 個(gè)方向均約束；模型頂面透水，各向自由。通過現(xiàn)場勘察，確定新舊路基的主要組成部分的計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 改擴(kuò)建道路模型計(jì)算參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 路基分層沉降

由于原道路固結(jié)已基本穩(wěn)定，雖然在施工荷載下會(huì)產(chǎn)生一定幅度的變形，但變形較小，本項(xiàng)目以新建路基為研究對(duì)象，分析泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用效果。為分析不同深度土層的沉降量，選擇沉降量計(jì)算結(jié)果最大的K42+485 斷面計(jì)算數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，分別對(duì)距地基表面以下5 m、10 m、15 m 3 個(gè)深度的深層土體沉降量進(jìn)行計(jì)算，整理計(jì)算數(shù)據(jù)繪制路基分層沉降變化曲線如圖2 所示。

圖2 K4+485 斷面分層沉降模擬曲線

分析圖2 得出，各層地基土沉降量隨深度的增加而下降，其中距地基頂面以下5 m 深度沉降量最大，最終沉降量為19.62 mm，隨深度增加沉降量逐漸下降，10 m 和15 m 位置最終沉降量分別為8.56 mm和1.58 mm，這是由于路基填筑施工階段施工荷載較大，完工后沉降量增速逐步趨緩，1 年后基本趨于穩(wěn)定。采用泡沫輕質(zhì)土處理后，地基土所產(chǎn)生分層沉降量較小，且工后趨于穩(wěn)定，說明處置后路基沉降量得到有效控制。

2.2.2 孔隙水壓力同樣選擇K42+485 斷面為研究對(duì)象，計(jì)算新建路基地基表面以下5 m、10 m、15 m 3 個(gè)深度的孔隙水壓力，繪制孔隙水壓力變化曲線如圖3 所示。

圖3 K4+485 斷面孔隙水壓力模擬曲線

分析圖3 得出，孔隙水壓力隨深度增加而增加，各深度孔隙水壓力曲線變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，完工后基本趨于穩(wěn)定；其中15 m 深度位置孔隙水壓力最大，最大值為93.6 kPa，5 m 深度位置最小。這是由于在路基施工階段，隨路基填筑高度的增加，地基上部荷載不斷增加，孔隙水壓力也隨之增加，工后孔隙水壓力不斷下降且逐步趨于穩(wěn)定。

3 路基現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 路基變形現(xiàn)場監(jiān)測方案

為驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在施工現(xiàn)場布置測點(diǎn)，對(duì)地基土不同深度分層沉降量、孔隙水壓力以及路面沉降變形進(jìn)行監(jiān)測，分析新舊路基的不均勻沉降情況。以K42+485 斷面作為研究對(duì)象，在新建路基內(nèi)部埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、孔隙水壓力計(jì)，在路面布置沉降樁，測點(diǎn)分布如圖4 所示。多點(diǎn)位移計(jì)、孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)深度分別為5 m、10 m、15 m 3 個(gè)深度，在施工過程中和完工后進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測周期為1 年。路面沉降利用精密水準(zhǔn)儀在路面沉降樁布置后開展監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間為1 年。

圖4 監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備儀器布置圖

3.2 分層沉降監(jiān)測結(jié)果分析

整理K42+485 斷面地表以下5 m、10 m 和15 m 位置沉降數(shù)據(jù)繪制分層沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 K4+685 斷面分層沉降變化曲線

分析圖5 得出，不同深度地基土沉降量隨深度增加而下降，且監(jiān)測前期沉降量增速較大，完工后沉降量增速逐步趨緩，監(jiān)測完成后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中地表以下5 m 位置沉降量最大，最終沉降量為21.18 mm，與模擬計(jì)算值19.62 mm 接近。不同深度地基土分層沉降現(xiàn)場實(shí)測變化曲線與模擬曲線基本一致，說明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.3 孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果分析

整理地表以下5 m、10 m 和15 m 位置孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制孔隙水壓力變化曲線如圖6 所示。

圖6 K4+485 斷面孔隙水壓力變化曲線

分析圖6 得出，不同深度孔隙水壓力曲線變化趨勢基本一致，且隨深度增加孔隙水壓力不斷提高，孔隙水壓力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并逐步趨穩(wěn)。在施工期間沉降量增速較大，工后沉降量逐步下降，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。地表以下15 m 深度位置孔隙水壓力最大，最大值為105.8 kPa，略高于計(jì)算值93.5 kPa，但兩者相差不大。這是由于地基下水位線與模型模擬存在一定的差異，孔隙水壓力計(jì)的布置也存在一定的偏差造成的。運(yùn)營期間孔隙水壓力變化逐步趨緩，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工后沒有產(chǎn)生較大的變形。

3.4 路面沉降監(jiān)測結(jié)果分析

在K42+485 斷面布置9 個(gè)沉降觀測樁，在完工后采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測1 年后各測點(diǎn)沉降已基本穩(wěn)定，整理監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制各測樁累計(jì)沉降量分布曲線如圖7 所示。

圖7 K42+485 斷面各測樁累計(jì)沉降量分布曲線

分析圖7 得出，1#～4# 舊路基在監(jiān)測期間產(chǎn)生的沉降量很小，新路基所產(chǎn)生的沉降量相對(duì)較大，最大值為9# 測點(diǎn)，但累計(jì)沉降量僅為9.22 mm，新舊路基所產(chǎn)生的不均勻沉降量較小。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，該路段未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞，說明采用泡沫輕質(zhì)土有效降低了路基沉降。

4 結(jié)語

以高速公路軟土地基路段泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用為研究對(duì)象，分別采用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測2 種方法對(duì)路基變形規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：（1）地基不同深度分層沉降模擬曲線與實(shí)測曲線變化趨勢基本一致，且隨深度增加分層沉降不斷下降，深度為5 m 位置最終沉降量計(jì)算值與實(shí)測值分別為21.18 mm 和19.62 mm，兩者十分接近，說明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，且地基累計(jì)沉降量均較小；（2）地基不同深度孔隙水壓力模擬曲線與實(shí)測曲線變化趨勢基本一致，且隨深度增加分層沉降不斷增加，深度為15 m位置孔隙水壓力最大，模擬計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測最大值分別為93.6 kPa 和105.8 kPa，兩者比較接近，說明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工；（3）分析路面沉降監(jiān)測結(jié)果，新舊路基沉降量相差較小，且施工現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞，說明采用泡沫輕質(zhì)土后新舊路基沒有出現(xiàn)較大不均勻沉降，路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。