软土地基上既有道路单侧加宽或填平工程模拟分析

软土地基上既有道路单侧加宽或填平工程模拟分析

孙超

中纬城建设计有限公司山东济南250000

摘要：软土地基上的道路，在运行一段时间后，常可能在某一侧加宽填平新建路基，由此新老路基容易造成不均匀沉降。本文采用有限元软件模拟分析了单侧进行加宽填平对现有路基的影响。得出结论：一定规模（填土4m高）的场地填土，水平方向变形达到0.77cm和竖向变形达1.39cm，将对既有道路路面造成严重的影响和破坏；随着场地填土高度的增大，场地填土宽度增大，既有道路的路面变形呈明显变大趋势；新建场地采用刚性桩比采用水泥搅拌桩对既有路面的影响要小。

关键词：新老路基，加宽填平，水泥搅拌桩，Geo-Studio

0引言

位于软土地基上的市政道路，在运营一段时间后，沉降基本趋于稳定。由于交通量趋于饱和，需要在单侧进行路基加宽，或由于场地开发需要，需在单侧进行场地填土。单侧进行的场地填土，容易产生工后沉降，导致新老路基沉降不均匀，因此，容易出现路面开裂等现象。本文在假定既有路基沉降已经完成的前提下，在单侧进行加宽填平对现有路基的影响进行数值模拟分析，得出不同场区填高、不同填土高度、不同加宽宽度和不同软基处理方式下的变化规律。同时，针对其变化规律提出防范措施。

1数值分析模型

1.1计算模型

本文采用岩土软件Geo-Studio中的Sigma/W模块来进行二维有限元分析，模拟并计算不同断面在不同情况下道路路面的变形情况[1-4]。

典型断面的计算模型如图1所示，计算范围100m宽，50m高。假定地下水位埋深为1m，既有路基宽度24m，路基填土高度4m，路基软基处理方式采用市政道路常用的水泥搅拌桩，搅拌桩间距1.35m，桩径0.5m，桩长为16m。土层自上到下分别为素填土（1m厚）、淤泥层（15m厚）、粉质粘土（5m厚）、碎块状强风化花岗岩（5m厚）。边界约束条件采用右边界水平约束，左边界和底边界固定约束。加宽填平段位于既有路基右侧，加宽填平宽度为20m，加宽填平区填料同既有路基，均为填土。

2计算结果

基于以上模型和参数，本文对不同工况下加宽填筑对既有路基的影响进行数值模拟分析。

2.1不同场区填高的影响

在既有道路单侧填场地，场地标高可能与既有道路标高不一致，不同填土高度对既有道路的影响不尽相同。本小节假定将填场地位于既有道路右侧，场地填土宽度为20m，场地以下也采用水泥搅拌桩进行处理。场地填土高度分别选取4m、3m、2m和1m进行数值模拟分析。

图2～图4分别为填土高度为4m时，位移沿X方向（水平方向，向右为正，向左为负）、Y方向（垂直方向，向下为负，向上为正）以及总位移的云图。

从图2可以看出，地面线以下以新填场地中心线为界，左右位移云图基本呈对称分布，左侧向左挤压既有路基，右侧向右变形。既有路基则因场地的位移变化而向右变形。越靠近场地部分的既有路基水平位移越大。图3的Y方向位移基本以新建场地中心为中点，越往外竖向变形越小，沉降越小。越靠近场地的既有路基竖向位移越大。图4中的总位移为结合X和Y方向位移，可以看出，其变化规律与Y方向位移云图基本类似，说明，在场地填筑后的位移变形以竖向为主。

图5不同场地填高下水平位移变化

新建场地填高分别为1m、2m、3m和4m时，既有路基最大水平位移分别为0.14cm、0.32cm、0.54cm和0.77cm，方向均为向右；既有路基最大竖向位移分别为0.17cm、0.43cm、0.81cm和1.39cm，方向均为竖直向下；最大总位移分别为0.22cm、0.54cm、0.97cm和1.59cm。可以看出，随着场地填土高度的变化，既有道路的路面变形呈明显变化趋势。场地填土越高，道路路面各个方向位移均明显变大。4m高度时，水平方向0.77cm的变形和竖向1.39cm的变形，已经达到明显可以破坏路面的程度。说明一定规模的场地填土，将对既有道路路面造成严重的影响和破坏。

图7不同场地填高下总位移变化

2.2不同场区填宽的影响

既有路基侧加宽宽度时常有所不同，若将既有路基加宽，常加宽宽度较小，若为设置场地，则加宽宽度较大。本节选取加宽宽度分别为5m、10m、15m和20m的情况，加宽高度一致为4m，其余条件同1.1节的典型模型。计算结果如图8和图9所示，从图中可以看出，新建场地加宽宽度分别为5m、10m、15m和20m时，既有路基最大水平位移分别为0.52cm、0.68cm、0.75cm和0.77cm，方向均为向右；既有路基最大竖向位移分别为0.97cm、1.29cm、1.38cm和1.39cm，方向竖直向下。

该工况中，在加宽15m范围内，随着场地加宽宽度越大，对既有道路路面的变形影响越大。但在加宽15m范围以后，随着宽度加大，对既有道路路面的影响基本不变。

图9不同场地填宽下竖向位移变化

2.3不同既有道路填高的影响

实际工程中既有道路填高随地形变化而不同，本节选取填土高度分别为2m、3m和4m的情况进行数值模拟分析。场地填高与既有道路填土高度相同，由于填土高度不同，软基处理中水泥搅拌桩的桩间距将进行调整，经承载力和沉降计算，填土2m高时，桩间距选取1.8m，填土3m高时，桩间距选取1.5m，填土4m高时，桩间距选取1.35m，均为等边三角形布置。其余条件同1.1节的典型模型。

计算结果如图10和图11所示，从图中可以看出，既有路基填土高度分别为2m、3m和4m时，既有路基最大水平位移分别为0.37cm、0.58cm和0.77cm，方向均为向右；既有路基最大竖向位移分别为0.88cm、1.14cm和1.39cm，方向竖直向下。

从该工况计算结果可以看出，随着路基填土高度的增加，场地填土对既有道路的路面影响越大。但填高较低的段落，由于软基处理也较为薄弱，因此，其影响也很大。

图11不同填土高度下竖向位移变化

2.4不同软基处理方式的影响

加宽部分的场地可能采用不同的软基处理方式，不同的处理方式将造成不同的工后沉降，因此，对既有道路的影响也不同。本小节选取刚性桩、搅拌桩和软基未处理三种方式，刚性桩选用预应力管桩，经承载力和沉降验算，桩间距选取2.2m，桩长为22m，桩直径为0.5m，水泥搅拌桩桩间距选取1.35m，桩长为16m，桩径0.5m。其余条件同1.1节的典型模型。

计算结果如图12和图13所示，从图中可以看出，软基未处理、水泥搅拌桩和刚性桩三种工况最大水平位移分别为0.90cm、0.77cm和0.15cm；最大竖向位移分别为0.67cm、1.39cm和1.57cm。采用刚性桩方案下，既有道路路面变形明显较小。而软基未处理的情况下，道路左边缘水平位移为0.36cm，方向为负，右边缘水平位移为0.90cm，方向为正，两者位移差高达1.26cm，而水泥搅拌桩和刚性桩的水平位移差为0.85cm和0.18cm。

因此，场地若未采取软基处理就将其填筑，将对既有道路造成重大影响，而在既有道路沉降基本完成的情况下，为避免造成路面开裂和不均匀沉降，可考虑采用刚性桩方案。

图13不同软基处理方式下竖向位移变化

3防范措施

从上文的模拟计算结果可以看出，在既有道路一侧进行加宽或场地填筑，将对既有道路路面产生明显的水平位移和竖向位移，从而造成路面开裂和不均匀沉降，影响既有道路稳定性和车辆行驶舒适度。因此，在填筑前需采取一定的防范措施，将其对既有道路的影响降至最低。建议采用的防范措施有[3-5]：

（1）加强软基处理

从文中分析可以看出，不同的软基处理方式，对既有路基的影响不同，

为尽可能降低其影响，应加强新建场地的软基处理，可采用刚性桩或加密桩的方式。

（2）合理控制施工

由于土的固结沉降是一个十分漫长的过程，因此，在路基填筑施工过程中，应严格控制地基沉降速率，应分层填筑，严格控制路基填筑速率，填筑过程中注意观测沉降情况，待沉降小于一定值时才可进行下一步的填筑。

（3）在新老路基结合部选用土工材料

在新老路基结合部，应采用挖台阶设置，同时在台阶处设置土工格栅，可有效增加新老路基之间的抗剪抗滑能力，减少工后沉降导致的不均匀沉降和横向位移。使得新老路基可以结合为一体。实践证明，在新老路基结合部采用土工格栅是较好的方法。

（4）采用轻质混凝土

在临近既有路基的部分，可以考虑采用轻质混凝土进行填筑，并慢慢过渡。轻质混凝土材料的重度仅为一般的路基填土重度的25%，可以大大减少工后沉降。但轻质混凝土造价偏高，设计时可进行经济性比选。

4结语

本文采用有限元软件Geo-Studio模拟分析了不同工况下单侧进行加宽填平对现有路基的影响，并提出防范措施，结论如下：

（1）本文的典型案例，在新建路基4m填土高度时，水平方向0.77cm的变形和竖向1.39cm的变形，已经达到明显可以破坏路面的程度。说明一定规模的场地填土，将对既有道路路面造成严重的影响和破坏。

（2）随着场地填土高度的变化，既有道路的路面变形呈明显变化趋势。场地填土越高，道路路面各个方向位移均明显变大。

（3）在本文的工况中，在加宽15m范围内，随着场地加宽宽度越大，对既有道路路面的变形影响越大。但在加宽15m范围以后，随着宽度加大，对既有道路路面的影响基本不变。

（4）随着既有路基填土高度的增加，场地填土对既有道路的路面影响越大。但填高较低的段落，由于软基处理也较为薄弱，因此，其影响也很大。

（5）场地若未采取软基处理就将其填筑，将对既有道路造成重大影响，而在既有道路沉降基本完成的情况下，为避免造成路面开裂和不均匀沉降，可考虑采用刚性桩方案。

（6）为尽量减少新建填土对既有路基的影响，建议通过加强软基处理、合理路基填土速率、在新老路基结合部选用土工材料和采用轻质混凝土等方法。

参考文献

[1]赵杰，邵龙潭.复合土钉支护的有限元数值模拟及稳定性分析[J].第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集，2006

[2]刘彬.软土地基上高速公路加宽病害分析及处理[J].第六届中国公路科技创新高层论坛论文集（上册），2013.

[3]李丙银.高速公路高填方路基加宽不协调变形控制的关键技术研究[M].石家庄铁道大学，2012.

[4]高捷婷.高速公路路基加宽方案的技术经济比选分析[M].东北林业大学，2009.

[5]童怀峰.高填方路基加宽后处理技术及变形性状研究[D].郑州大学，2008.