基于稳定和变形计算的拓宽工程旧路纵向裂缝成因分析

万 莉（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）



基于稳定和变形计算的拓宽工程旧路纵向裂缝成因分析

万 莉
（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

结合典型旧路拓宽工程出现的纵向裂缝，针对旧路地基未进行处理，新路采用复合地基处理的情况，采用极限平衡、数值模拟等方法进行稳定、变形计算。在验证模型正确性的基础上，对新旧路堤变形性状进行了详细分析，根据分析结果研究旧路纵向裂缝的成因，并提出处治方案。

旧路改造；纵向裂缝；变形分析；数值模拟；地基处理

为解决不断增长的交通量与现有道路通行能力的矛盾，需对旧路进行拓宽改造，扩大通行能力。旧路改造后，由于新旧路堤间的差异沉降，可能造成道路基底脱空，从而引起路面纵向开裂。特别是新路地基采用复合地基处理而旧路未处理的桥头、通道等构造物路段，从新路堤填筑施工开始，新旧路堤间就存在相互作用，从而对旧路的服务性能和行车安全产生影响，严重的会引起旧路路面产生纵向开裂。因此，本文结合某拓宽工程桥头段旧路出现的纵向裂缝，对其变形性状及成因进行分析，并提出相应对策。

1　工程概况

某省道桥头位于连云港市中南部地区，采用单侧拓宽方式，增加两个车道拓宽为双向4车道一级公路。路基特殊性岩土主要为②2层淤泥质粘土，层顶埋深1.8 m，层厚15.7 m。拓宽前右幅旧路经多年运行已基本固结稳定，左幅新路地基软土采用湿喷桩处理，新路路面高于旧路路面约0.9 m。通车一年后，旧路路面出现2～10 mm宽的纵向裂缝，见图1。

图1　旧路路面纵向裂缝

2　路基稳定性分析

左幅新路堤临河，在通车后河水水位曾发生过骤降。针对这一情况，本文采用在我国水利行业中广泛使用的Autobank［1］软件进行计算，该软件可通过渗流计算确定浸润线，并可考虑水位骤降工况进行稳定计算。路基土自上而下分布有②1粉质粘土、②2淤泥质粘土、⑤2粉土夹粉质粘土、⑤3粉砂夹粉土、⑥1粉质粘土、⑥2粉质粘土、⑥2a粉砂，各土层计算参数见表1。湿喷桩采用梅花形布置，桩间距为1.3 m，桩端穿过软土层，处理区域采用复合模量法进行计算，根据《建筑地基基础设计规范》，湿喷桩的桩身强度折减系数η可在0.3～0.4范围内取值，本次计算湿喷桩的抗剪强度取200 kPa，内摩擦角取20°。

采用Autobank软件按有效应力法计算得到的路基整体稳定安全系数见表2，滑动面位置（运营期）见图2。

表1　各土层主要物理力学指标

表2　整体稳定安全系数

图2　滑动面位置（运营期）

根据现场调查，右幅旧路出现的纵向裂缝无明显错距，同时检查旧路坡脚也未发现明显的向右侧变形凸起的现象。结合上述施工期和运营期1的计算成果，基本排除裂缝属于滑动剪切裂缝的可能。从运营期2的计算成果来看，水位骤降对左幅新路有一定影响，稳定安全系数降低0.03，且滑动圆弧上移；右幅旧路未受水位骤降影响，稳定安全系数和滑动面位置均无变化。

3　变形分析

3.1模型建立和参数选择

本文采用大型通用有限元软件Plaxis［2］，该软件包括固结、渗流、变形等模块，可采用多种成熟的本构模型。为获得较高的计算精度，模拟时采用15节点4阶三角形单元。由于湿喷桩属于柔性桩，假设桩土间无相对位移，因而不设置接触面单元，同时将湿喷桩简化为同厚度的桩墙，采用线弹性模型进行模拟。

对于粉质粘土、粉砂等土层采用摩尔-库伦模型模拟。深厚的②2淤泥质粘土层采用Soft soil模型模拟。Soft soil模型中的修正压缩指数m*和修正膨胀指数k*按下式计算：

式中：m*为修正压缩指数；Cc为压缩指数，按文献［3］计算；e为孔隙比；k*为修正膨胀指数；Cs为回弹指数，按文献［3］ 计算。

按上式计算得到的m*和k*分别为0.048和0.011。其余计算参数见表1。

3.2总沉降和水平位移分析

按照实际工况进行模拟的沉降等值线及总沉降曲线见图3，采用规范方法运用理正岩土软件计算得到的总沉降曲线见图4。

图3　沉降等值线及地基表面总沉降（Plaxis计算）

从图中可以看出，两曲线所反映的地基表面沉降特征基本一致，最大沉降均发生在旧路超车道上，接近图1中的纵向裂缝所在位置。该结果不同于旧路地基采用复合地基处理的情况，最大沉降主要产生于旧路路肩至新路范围内［4］。由于Plaxis计算结果体现了路堤水平位移的影响，其计算得到的总沉降大于理正岩土计算结果。总体来看，两者计算结果的误差在可接受的范围内，所建立的数值模型基本合理，能够正确反映路堤固结沉降性状。

图4　地基表面总沉降（理正岩土计算）

地基表面水平位移曲线见图5。新路填筑在旧路边坡位置，由于新旧路堤间的相互作用，旧路路堤发生向右侧滑移的趋势，且水平位移随着水平距离的增大逐渐增加，在靠近旧路路肩附近开始逐渐减小。由于湿喷桩对水平位移的约束作用，使得新路路堤的水平位移较小，最大处不超过3 cm。

图5　地基表面水平位移曲线

3.3工后沉降分析

新路采用湿喷桩处理，旧路工后沉降大于新路（见图6）。究其原因是新路采用湿喷桩处理后其刚度显著增加，主要发生瞬时沉降，大部分沉降在施工期已经完成。而旧路未处理或没有很好的排水通道，其受新路荷载影响产生的超孔隙水压力消散较慢，很大部分沉降在工后才能完成。由此导致旧路对新路产生下拉作用，路面转向旧路中心移动，旧路路面更容易开裂。

图6　地基表面工后沉降曲线

4　纵向裂缝成因及对策

4.1纵向裂缝成因

路面纵向裂缝的成因很多，通过稳定分析排除了滑动剪切裂缝的可能以及水位骤降的影响。根据变形分析成果，综合勘察、设计、施工资料，从如下几个方面分析纵向裂缝成因。

（1）旧路软土地基固结和蠕变

由于新旧路堤之间紧密连接，新路的自重荷载以及车辆荷载的一部分通过旧路堤传到旧路地基，特别是在新路路面高于旧路路面的情况下，旧路作为荷载传递的载体更加明显。导致旧路地基土在附加应力作用下产生固结，附加沉降加大，而新路由于其应力部分扩散到旧路地基上，沉降反而减小。此外，一般路堤中部沉降速率先减小并趋于稳定，而两侧底部软土层由于产生蠕变变形，路面受力由压变拉，在路堤中部出现纵向裂缝。

（2）软硬地基间的差异沉降

为充分利用旧路，本项目保留原旧路结构，旧路沥青铣刨后分层摊铺水稳，上面摊铺8 cm Sup-20沥青砼，地基未作处理。图6成果显示新旧路堤间的工后最大差异沉降为3.1 cm，差异沉降在控制范围内。从图3总沉降曲线来看，新旧路堤施工期差异沉降较大，导致旧路原半刚性基层在施工期已产生一定量的变形，随着上部荷载的施加，其出现裂缝并反射到上部新铺水稳和面层，导致路面发生开裂。

（3）两侧边坡受降雨侵蚀变形

本项目路堤边坡一直未按设计要求进行防护，坡面排水不畅，由于降水侵蚀，部分雨水渗入路堤中，导致其含水率增加、力学强度出现不同程度的降低，从而加速了路面的破坏。

（4）半刚性基层结构性破坏

半刚性基层沥青路面是我国高等级公路路面的主要形式，在行车荷载特别是车辆超载荷载的作用下，基层底部的拉应力大于材料的抗拉强度时，半刚性基层底部很快会发生开裂，在行车荷载的反复作用下逐步扩展到上部，使得面层发生裂缝［5］。

4.2对策分析

为了避免裂缝的出现，设计采取了对旧路边坡开挖台阶、提高路基填土的压实度、在新旧路堤结合处铺设土工格栅等措施，从而避免了在新旧路堤结合处出现纵向裂缝。但由于对旧路变形机理认识欠缺、施工和设计的不足，还是导致旧路出现纵向裂缝。

在弄清此类裂缝成因的基础上，一般采用沥青填补养护、尽快实施边坡防护等措施进行处理。裂缝处理最好采用土工合成材料，这样不仅可以封闭裂缝，还可以增加路面的抗拉强度，抑制反射裂缝的发生。（1）对于缝宽在5 mm以内且已稳定的纵向裂缝，铣刨原沥青面层后，直接灌入乳化沥青，喷洒粘层油后，然后进行路面加铺施工。（2）对于缝宽大于5 mm或裂缝还在继续发展的情况，在裂缝两侧各50 cm范围内开槽，开槽深至基层顶部，后沿裂缝灌入乳化沥青混合料（机制砂或石屑），在基层顶部粘附聚酯玻纤布后方可进行路面加铺施工。对于基层有明显损坏的区域，可采用钢筋混凝土结构代替原基层，以增强基层的抗裂性能。

5　结语

《公路路基设计规范》仅简单规定了拓宽工程沉降控制标准：旧路与新路的路拱横坡度的工后增大值不大于0.5%。在此基础上，设计还会按新路堤总沉降小于15 cm，工后沉降小于5 cm进行控制。但是，对于高填土路堤中旧路地基沉降，规范未给出明确的规定，设计和施工认识也不足。同时，由于路堤含水率增加、强度降低以及半刚性基层结构性破坏，导致旧路产生纵向裂缝。

如果在设计、施工过程中对旧路纵向裂缝成因有充分估计，采取一定措施，就可以减少或延缓裂缝的产生。同时，路面发生裂缝后一定要及时进行封闭处理，防止雨水侵入半刚性基层，尽可能减小路面裂缝的发展。

［1］杜守来. Autobank软件在土坝渗流稳定计算中的应用［J］.现代农业科技，2012（6）：252-254.

［2］蒋鑫，凌建明，邱延峻.软土地区加筋土路基大变形固结有限元分析［J］.地下空间与工程学报，2008，4（1）：66-69.

［3］A.Nakase，T.Kamei. Constitutive parameters estimated by plasticity index［J］. Journal of Geotechnical Engineering，1998，114（7）：844-858.

［4］陈磊.软土地基上高速公路加宽工程沉降变形数值模拟及地基处理优化研究［D］.南京：河海大学，2008.

［5］李思水，汪为奇.沥青混凝土路面半刚性基层层底裂缝断裂力学分析［J］.公路，2005（6）：70-75.

Cause Analysis of Old Road Longitudinal Crack for Widening Engineering Based on Stability and Deformation Calculation

Wan Li
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Combining with the longitudinal crack phenomenon which appears within the typical widening engineering of old road， this paper focuses on the situation which the foundation treatment is not done on the old road while composite foundation processing is used on the new road. Stability and deformation calculation are completed with several ways such as limit equilibrium and numerical simulation. Based on the confirmation of the correctness of model， it analzes the deformation behavior of the old and new embankment in detail and researches the cause of longitudinal crack， and finally solution for this situation is proposed.

old road rebuilding； longitudinal crack； deformation analysis； numerical simulation； foundation treatment

U416.217

A

1672-9889（2016）02-0001-03

万莉（1979-），女，江苏南通人，工程师，主要从事路桥设计工作。

（2015-12-08）