不同软基处理方式下高速公路加宽工程变形特性分析_张军辉

第32卷第4期岩土力学 V ol.32 No. 4 2011年4月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2011

收稿日期：2009-11-26

基金项目：交通部西部交通科技项目（No. 2009318000062）；交通部西部交通科技项目应用基础研究项目(No. 2009-319-825-090)；长沙理工大学公路工程省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目（No. kfj090105）；湖南省教育厅项目（No. 08C100）。

作者简介：张军辉，男，1978年生，博士后，副教授，主要从事软基处理、特殊土路基处治等方面的研究。E-mail: zjhseu@https://www.360docs.net/doc/c712007285.html,

文章编号：1000－7598 (2011) 04－1216－07

不同软基处理方式下高速公路加宽工程

变形特性分析

张军辉

（长沙理工大学公路工程教育部重点实验室，长沙 410004）

摘要：交通量的迅速增长使越来越多早期建成的高速公路需要拓宽改建，而如何根据老路的地基处理方法合理选择新路基下软基的处理方法成为主要技术难题之一。以实体工程为依托，采用有限元方法分析了新老路软基采用不同处理方法对加宽工程道路变形的影响。结果表明，新路基采用塑料排水板对施工期老路扰动很大，而采用复合地基可有效降低工后沉降和施工期老路变形。同时，地基内水平位移分布为采用应力隔离墙降低新路荷载对老路的影响提供了理论依据，隔离墙深度可根据水平位移集中区的埋深确定。此外，当新路采用复合地基时，施工期老路沉降变形受老路固结状况的影响较小。关键词：软基处理；加宽；差异沉降；水平位移；数值分析中图分类号：U 412.36+6 文献标识码：A

Analysis of deformation behavior of expressway widening engineering under

different foundation treatments

ZHANG Jun-hui

（Key Laboratory of Highway Engineering of Ministry of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China ）

Abstract: Due to the rapid increase of traffics, more and more early-built expressways will be reconstructed. There are always several key technical problems for expressway widening on soft foundation, in which determining how to treat the foundation of the new road according to the old road foundation treatment methods is the most important. Effects of the different foundation treatments on road deformation are analyzed numerically according to a practice of expressway widening. Results show that the plastic drainage board used in the new foundation enhances the old road deformation greatly during widening; while the new foundation with composite foundation produce less settlement of the new and old embankment after construction and disturbance to the old road during widening. At the same time, the distribution of the horizontal displacements in foundation provides the theory base for using the stress isolation wall to reduce the deformation of old road resulting from the new embankment. The wall depth depends on the depth of the horizontal displacement concentration zones. In addition, the impact of consolidation degree of the old foundation on the deformation of the existing road during widening is insignificant when the composite foundation is used in the new foundation. Key words: foundation treatment; widening; differential settlement; horizontal displacement; numerical analysis

1 引言

软土地基上高速公路加宽需要解决的核心问题是如何使新老路基变形协调。解决的办法可从路面处理、路基结合部处治和地基处理3个角度考虑。随着我国多条高速公路加宽的完成，在路面处理和路基结合部处治方面积累了比较丰富的经验[1

－4]

，

路面加筋、老路开挖台阶、新老路基加筋等方法的

有效性已被多个加宽工程所证实，但对软土地基处理方面更多地是对单一方法的分析，对多种地基处理方法效果的系统分析研究较少[5

－7]

，并且已有研

究没有充分考虑到加宽工程特殊的变形特性对软基处治技术的要求。可以预见，随着我国经济的快速发展，需加宽扩建的高速公路将越来越多，合理选择地基处理方法对于加宽工程质量至关重要。为此，本文依托沪宁高速公路加宽工程，对不同地基处理

第4期张军辉：不同软基处理方式下高速公路加宽工程变形特性分析

方法下加宽工程变形特性进行了数值模拟，分析了不同地基处理方式对道路变形的影响，给出了一些选择软基处治方式的建议。

2 有限元建模

2.1 工程概况及土层参数

沪宁高速公路为双向4车道，顶面宽为26 m ，为满足日益增加的交通量的需求，在原有道路两侧对称加宽8.25 m 。计算所选典型断面路堤高为4 m ，新老路边坡均为1:1.5，按8层填筑，每层施工时间为30 d ，计算时在工后沉降15 a 后进行加宽。加宽路堤按4层施工，每层施工时间为30 d 。新老路基底部为50 cm 砂垫层处理。在进行加宽前，对老路进行了削坡处理，坡度为1:0.5。根据试算，横向取50 m 。结构左右边界横向固定，底部横向和竖向固定。地下水位线在地表下2.0 m 深处，砂垫层底部为排水边界。软基土体从上至下依次为2.7 m 厚的粉质黏土(硬壳层)、8.5 m 厚的淤泥质黏土、2.9 m

厚的淤泥质粉土和0.9 m 厚的夹砂淤泥质黏土。计算模型如图1所示。

图1 有限元计算模型

Fig.1 Finite element model of soil layer

有限元模拟中，砂垫层、软基土体和路堤填土采用Duncan-Chang 模型，计算参数根据典型断面室内试验获得，如表1所示。轻质填料采用线弹性模型，弹性模量E 为3.5 MPa ，泊松比为0.1，重度

γ为10 kN/m 3，渗透系数k x =k y =4.2×10-4 cm /s 。

表1 计算中的Duncan-Chang 参数

Table 1 Duncan-Chang parameters used in calculation

泊松比系数

土层名称重度γ /(kN/m 3

) 有效内摩擦角? d /(°) 黏聚力c /kPa

破坏比R f

模量系数K

模量指数n

G F D k x

/(10-7

cm/s)

k y /(10-7

cm/s) 硬壳层 19.2 24.5 2.0 0.72 99 0.23 0.31 0.100 2.20 1.40 5.46 淤泥质黏土 18.5 25.0 19.8 0.56 32 0.71 0.16 0.030 3.36 6.20 8.01 淤泥质粉土 17.7 24.3 2.0 0.54 20 0.76 0.08 0.090 3.40 2.75 3.84 夹砂淤泥质黏土

19.3 25.9 47.0 0.64 100 0.24 0.21 0.010 2.60 20.00 21.33 砂垫层 18.0 34.0 0.0 0.60 280 0.80 0.24 0.002 2.70 透水透水

路堤填土

19.0

28.0

30.0 0.80 150 0.40 0.35 0.010

1.00

透水

2.2 计算工况

根据加宽工程实践，并考虑研究的代表性，本文进行了新老路软基不同处理方式共12种工况的计算分析。由于轻质路堤能减少新老软基承担的加宽荷载，等同于荷载不变、软基强度提高，并为了方便，也将其作为一种地基处理方式看待。计算工况代码如表2所示，表中U 表示地基不处理，D 表示地基采用塑料排水板处理，P 表示地基采用粉喷桩处理，E 表示采用轻质路堤处理。

表2 计算工况代码

Table 2 Calculation conditions

老路基不同处理方式下的工况代码新路基处理方式

不处理

塑料排水板

粉喷桩

不处理 UU DU PU 塑料排水板 UD DD PD

粉喷桩 UP DP PP 轻质路堤

UE DE PE 2.3 软基处治方式的计算简化

有限元计算中把塑料排水板等效为有相当直径的砂井。换算直径d w 按下式计算

w 2()

b d δα

+= （1）

式中：b 为塑料板的宽度；δ为塑料板的厚度；α为换算系数，可通过试验得到。从目前的许多现场试验资料看，施工长度10 m 左右，绕度在10%以下的排水板，α的适当值在0.6～0.9。对标准型即宽度b 为100 mm ，厚度δ为3～4 mm 的塑料排水板，取α=0.75，可得d w =50 mm 。

有限元计算中通常将三维的砂井系统根据处理前后地基平均固结度相等或同一深度处的平均孔压保持不变的原则将其等效为砂墙，进而按照平面应变问题处理。这种等效方法只需调整渗透系数即可，

砂墙的间距可根据网格划分的需要任意取值[8]

。但

该方法仍然较为复杂，不易在工程中推广应用。李

1217

岩土力学 2011年

豪等[9]根据固结度等效的原则，将用砂井加固的地基简化成渗透系数较大的均质地基，进而得出的等效渗透系数可用于平面或三维有限元分析，方法简

单，易于推广。等效均质地基竖向渗透系数v

k ′为 2

h v v

2v e 2

h h s w 1 2.6723ln ln π

43k l k k k D k

l k n s s k q ξξ???

′=+??????

??=+?+??

（2）式中：l 为排水板长度；D e 为单井影响直径，如果

排水板正方形布置，D e /2= 0.564S w ，如果三角形布置为D e /2= 0.525S w ，S w 为排水板间距；k h 、k v 和k s 分别为土体水平、竖向渗透系数和涂抹区水平渗透系数；n =D e /d w ；s =d s /d w ，d s 为涂抹区直径；q w 为塑料排水板或砂井通水能力。

对于多层地基，可根据式（2）分别得出砂井深度内每层土的等效渗透系数。如果砂井未完全打穿该层土，砂井加固深度内土层等效渗透系数由式（2）计算，砂井深度以下土体仍采用原来的渗透系数。

加宽工程中，塑料排水板三角形布置，间距为

1.5 m ，在软土地基中打设深度为15 m ，根据文献[10]，取塑料排水板或砂井通水能力q w =100 m 3·a -1，涂抹区直径d s 为0.3 m ，根据式（2）可得软土地基排水板打设深度范围内各土层等效竖向渗透系数

k ′分别为7.366、18.934、18.445和19.169。有限元模拟时，粉喷桩复合地基通常简化为平面应变模型。简化时，保持桩身直径和桩间距不变，通过对桩身强度和渗透系数等参数的折减来达到预期目的。但该简化使得桩体沿里程号方向形成一条条强度很高、渗透性很小的墙体，这样模拟出来的结果与实测结果将会有很大的差异。邓永锋

[11]

假定

等效桩均匀受压，土体、桩和等效桩体在竖向具有相同的压缩应变，得到平面简化时等效桩体模量E c 为

p p c s

p 1D D E E E d d ??

=?+????

（3）式中：D p 为桩径；d 为桩间距；E s 为土体变形模量；

E p 为桩的弹性模量。

等效渗透系数为

cal

v 112k k d ??=?????，cal

ph h 112k k d ??=?????

（4）

式中：cal pv k 、cal

ph k 分别为等效桩体的竖向、水平渗透

系数。

加宽工程中，粉喷桩正方形布置，处治宽度为在坡脚外布置一排桩，间距为1.3 m ，桩径为0.5 m ，桩长为15.5 m ，进入持力层0.5 m ，E p =200 MPa ，渗透系数为1.52×10-10 m/d 。

简化后的等效桩体模量E c 为70 MPa ，等效桩体渗透系数cal pv k =cal

ph k =2.5×

10-7cm /s 。图2为DP 工况时的计算模型示意图。

图2 DP 工况计算模型示意图 Fig.2 Calculation model of case DP

3 计算结果分析

3.1 新老路基工后沉降变形

由计算可知，加宽前老路已经稳定，其下软基土体固结完成，随距老路中心线距离增加，土体强度降低。因此，新路堤修筑时，软基土体强度的不均匀性必然在新老路堤之间产生差异沉降。并且，老路堤在自重和多年车辆荷载作用下，强度提高，压缩性降低，压缩性高的新路堤会加剧差异沉降的产生。差异沉降反映到路表，将改变道路的横坡比，影响行车舒适性。

图3给出了老路软基塑料排水板处理时的新老路基加宽工后沉降（加宽后15年相对于加宽完成后的沉降）曲线，图中L 为距道路中心距离，S 为沉降量。从图中看出，新老路堤表面工后沉降基本呈“马鞍形”分布，在老路堤中心最小，新路堤中心位置最大。这一变形规律与现场观测资料一致（见图4[12]）

，贾宁[13]和Hjortn?s-Pedersen [14]也得出了同样的结论，表明了本文数值计算的正确性。现行《公路路基设计规范》[15]对新建的不同等级公路一般路段、桥头、通道处的工后沉降进行了规定，所指位置为沉降量最大的道路中心处，而对于加宽工程，由图3可知，沉降最大点基本在新路堤中心位置，因此，在进行加宽工程地基处理设计时，应以此点作为工后沉降控制点。同时，新路采用复合地基和轻质路堤时工后沉降量较小，而不处理时工后沉降最大。其他工况的工后沉降规律与之类似。

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第4期张军辉：不同软基处理方式下高速公路加宽工程变形特性分析

图3 新老路基工后沉降曲线

Fig.3 Settlement curves of new and old

embankments after widening

图4 实测沉降变化规律[12]

Fig.4 Field data of settlements [12]

图5给出了不同地基处理时新老路基加宽工后坡差（最大差异沉降与道路半幅宽度的比值）变化曲线。从图中看出，除了老路和新路软基都不处理时坡差较大，为0.32%外，其他情况下新老路基坡差变化不大，基本在0.10%～0.25%之间。从而表明，新老路基工后沉降坡差对地基处理方式不敏感，不是选择地基处理方式的主要控制因素。并且，新路采用相同的处理方式，老路软基不处理和排水处理时新老路基坡差基本一致，这是因为排水固结只是加快了软土固结速度，并没有改变软基内的应力分布，对沉降量影响不大。

图5 不同处理方式时的道路坡差

Fig.5 Gradient with different foundation treatments

由图5中施工期老路坡差变化曲线可知，无论老路软基如何处治，新路不处治或排水固结处理，加宽施工将对老路带来很大扰动。其中，新路软基排水固结处理对老路的扰动最大，而新路采用复合地基对老路的扰动最小，轻质路堤次之。因此，价

格低廉、施工速度较快、在新建道路中广泛使用的排水固结法在加宽工程新路软基处治中应慎用。 3.2 施工期老路基沉降变形

目前我国的加宽工程中，很多老路一直承担交通荷载，因此，除了控制新老路基工后沉降外，还应考察不同地基处理方式在加宽施工期对老路的影响。图6给出了加宽施工期老路软基不处理时老路堤表面沉降曲线。图7为位移矢量图，其他工况变

形规律一致。从图6、7可知，除新路采用复合地基外，在加宽荷载作用下，老路沉降呈中心小、路肩处大的反“弯沉盆”形分布。这是由于固结使得老路软基强度提高，沉降趋于稳定，而新路软基在加宽荷载作用下沉降较大，从而对老路产生拖曳作用所致。而新路采用复合地基时，软基强度大大提高，

加宽荷载作用下地基沉降减小，甚至于小于加宽荷载导致的老路沉降，施工期老路表面沉降呈“弯沉盆”形分布。

图6 加宽施工期老路表面沉降

Fig.6 Surface settlements of old road during widening

图7 加宽施工期沉降矢量图

Fig.7 Settlement vector diagram during widening period

图6表明，新路不同处理方式对施工期老路表面沉降影响很大，采用复合地基或轻质路堤对老路

12 14

-10

-8-6-4-2024S /c m

L /m

0.0

0.20.40.60.81.0坡差/%

处理方式

----0.0

0.5S /c m

1015

----------S /c m

L /m

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岩土力学 2011年

的扰动最小，采用排水固结法处治对老路扰动最大。此时，老路路基差异沉降（老路路肩与道路中心之间）达10.92 cm ，老路基坡差（老路路基差异沉降与道路半幅宽度的比值）为10.92 cm/1 300 cm=

0.84%，远远超过加宽工程施工期老路所允许的最大坡差0.25%[4]

，必然导致老路路面的开裂，这是加宽工程中常见的病害之一[16]。 3.3 水平位移

图8为UU 工况时地基内水平位移等势线图。从图中可知，加宽荷载的作用在新路基下软基内产生两个方向相反的水平位移集中区。老路软基向道路中心流动，新路软基浅层因新路堤的刺入向道路中心流动，深层向道路外侧流动。图9中新路基左（L ）、右（R ）坡脚下不同深度处的水平位移也显示了这一规律。若能限制软基的横向流动，将会大大降低新路堤荷载对老路的影响[17]。同时，根据软基内水平位移集中区埋深情况，新路堤右侧坡脚的隔离墙应有足够深度，而左侧隔离墙可以较浅。对于特定工程，隔离墙深度根据计算确定。

图8 地基内水平位移等势线

Fig.8 Horizontal displacement contours in foundation

图9 新路堤坡脚下地基水平位移

Fig.9 Horizontal displacements in foundation under

new embankment slope toe

3.4 老路稳定状况对路基沉降变形的影响

图10给出了DD 工况时新老路基工后沉降曲线。从图中看出，随老路固结完成，工后沉降变小，并且，老路固结度大于70%时，其固结状态对新老

路基工后沉降影响降低。

图10 老路不同固结度时新老路工后沉降

Fig.10 Settlements after construction with different

consolidation degrees of old road

图11为老路不同固结状态时加宽后新老路坡差和施工期老路坡差，由于DP 工况时施工期老路坡差变化很小，不予考虑，也表明新路采用复合地基时老路施工期沉降变形受其固结状况的影响较小。从图中看出，同一固结度下施工期老路坡差从大到小均依次为DD>DU>DE ，表明老路稳定状况对不同地基处理方式时的施工期老路坡差影响规律一致。随老路固结度增加，施工期老路坡差减小，当固结度大于70%后，坡差对固结度的敏感性降低。

此外，不同固结度下新老路基工后坡差较小，基本

在0.2%以下。因此，老路固结状态对施工期老路影响较大，对新老路基影响较小，并且，当固结度大于70%时，老路固结状态的影响降低。

图11 老路不同固结度时道路坡差 Fig.11 Effect of consolidation degree of old

road on gradient

3.5 填筑速率对路基沉降变形的影响

为考察新路基填筑速率对道路的影响，分析了

DD 工况下新路基1、2、4次填筑时新老路基工后

1015

-16

-15-14-13-12-11S /c m

L /m

-3

-2

-1

012

水平位移/cm

6070

80100

0.0

0.2

0.40.60.81.01.2坡差/%

固结度/%

1220

第4期张军辉：不同软基处理方式下高速公路加宽工程变形特性分析

沉降和加宽施工期老路沉降。研究发现，工后沉降变化规律与图3一致；路基分层填筑可显著降低新老路堤工后沉降。3种填筑方式最大沉降分别为

20.0、18.5、16.4 cm 。同时，图12给出了加宽施工期老路沉降。从图中看出，分层填筑大大减小了老路中心的隆起量和坡差，隆起量从8.8、4.8 cm 降到了1.7 cm ，坡差从1.3%、1.09%降到了0.95%。因此，新路堤分层填筑可以使软基内超孔压消散，强度增长，降低新老路的工后沉降量，减小对施工期老路的扰动。

图12 不同填筑速率时施工期老路沉降 Fig.12 Old road settlements with different

construction speeds

4 结论

运用有限元方法对高速公路加宽工程中新老路软基采用不同处理方式时的沉降量、水平位移等进行了数值模拟。可以得出以下结论：

（1）新老路路堤加宽工后沉降曲线基本呈“马鞍形”分布，老路堤中心处最小，新路堤中心位置最大。应将沉降最大的新路堤中心位置作为加宽工程工后沉降控制点。

（2）新路堤对老路堤的拖曳作用使施工期老路表面沉降呈反“弯沉盆”分布，严重时将导致老路路面开裂。对于施工期间老路一直承担交通荷载的加宽工程，除控制新老路基工后沉降外，还应采取合理的地基处理方式以降低加宽施工对老路的扰动。这是加宽工程不同于新建道路的一个重要特点。（3）无论老路软基如何处理，新路软基排水固结处理对老路的扰动最大，采用复合地基扰动最小。因此，排水固结法在加宽工程中应慎用，新路软基应优先采用复合地基。

（4）不同地基处理方式时新老路基工后沉降坡差均较小，而施工期老路坡差变化较大。因此，加宽工程中，应将新老路基工后沉降和加宽施工期老

路坡差作为确定新路地基处理方式的主要控制因素。

（5）地基内存在两个方向相反的水平位移集中区，老路软基向道路中心流动，新路软基向道路外侧流动，该分布规律为采用应力隔离墙降低新路基荷载对老路的影响提供了理论依据。并且，新路堤左侧坡脚隔离墙可比右侧坡脚下隔离墙短。（6）老路固结状态对施工期老路影响较大，对新老路基工后变形影响较小。其中，当新路基采用复合地基处理方式时对老路变形的影响较小。新路堤分层填筑不但可减小新老路堤工后沉降，还能降低对施工期老路的扰动。

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第11届全国土力学及岩土工程学术会议

（第2号通知，论文出版方式）

2011年8月16—19日，兰州

会议时间与地点：会议将于2011年8月16—19日在兰州举行，8月16日会议报到，8月17—19日开会，8月20日组织考察。

论文出版方式与格式：会议论文采取集中推荐EI收录期刊和国内核心期刊发表的方式。论文推荐发表方式为：会议部分优秀论文将由《岩土力学》增刊（EI收录）、《岩土工程学报》增刊发表；其余会议论文分别推荐《西北地震学报》、《冰川冻土》、《铁道工程学报》增刊发表。所有论文由学会组织专家统一审阅，决定是否录用、推荐具体发表刊物和形式。

每篇论文版面费以各刊出期刊收费标准而定。论文经审定确定刊出期刊后，版面费直接交各刊出期刊编辑部。论文模板请到第11届全国土力学及岩土工程学术会议网址https://www.360docs.net/doc/c712007285.html,/csmge2011下载栏点击下载。本次会议将提供论文集光盘和论文摘要集，不刊印论文集。

征文时间及要求：①即日起至2011年1月15日：提交论文全文；②2011年2月28日：发论文录用通知及修改意见；③2011年5月31日：提交修改稿。

论文以邮件(word电子文档)向会务组电子邮箱或会议网址投稿中心投稿，论文全文请控制在6页以内，大小不超过10 M。要求图表清晰、数据翔实。

联系方式：地址：兰州市东岗西路450号中国地震局兰州地震研究所；邮编：730000；联系人：吴志坚博士、徐舜华博士会务组电子邮件地址：csmge2011@https://www.360docs.net/doc/c712007285.html,；传真：0931-******* 电话：0931-*******，139********，138********。

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