滨水高堤路拓宽差异沉降数值模拟及现场监测

李国林，宋春雨，李硕娇，孙 磊，季永兴(.上海市水利工程设计研究院有限公司， 上海 0006；.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 00336)

滨水高堤路拓宽差异沉降数值模拟及现场监测

李国林1，宋春雨2，李硕娇1，孙 磊2，季永兴1
(1.上海市水利工程设计研究院有限公司， 上海 200061；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200336)

哈尔滨松花江北岸滨江大道是在既有防洪大堤内外加宽形成的集防洪和交通功能的大型工程。在分析既有堤防堤基及堤身地质条件、拓宽位置堤基地质等基础上，选择典型断面采用垂向二维有限元模型，研究分析了清基换土、台阶开挖、平台镇压、土工加筋、防渗排水等差异沉降控制措施效果和相关变形参数，基于路堤填筑过程中地基土和堤身的变形及过程，提出了堆载预压和路面结构层铺筑时间，以及路面排水、反射裂缝控制等措施。现场监测成果结果显示，综合措施可以有效控制滨水路堤差异沉降，防止道路路面纵向裂缝。

堤防；滨水道路；道路扩建；松花江；哈尔滨

哈尔滨松花江北岸滨江大道工程采用在原有防洪堤基础上拓宽加固，形成长约101 km的滨江道路[1]，既承担堤防防洪功能，又满足城市道路通行要求。由于工程采用在既有堤防拓宽加固建设道路，且新填土方高度较大，新老结合路基会产生不均匀沉降，若处理不当就会造成道路路面纵向裂缝。滨水道路纵向裂缝不仅增加汽车轮胎磨耗和燃油消耗，增加运输成本和运输时间, 加大道路养护成本，甚至危及行车安全，而且会影响堤身质量，降低滨水路堤的防洪作用。寒区滨水路堤的纵向裂缝若修补不好，还会在冬季冻融循环作用下进一步发展，加速路面破坏。

关于公路拓宽差异沉降控制许多学者做了研究[2-6]，差异沉降计算采用经验公式较多，基于有限元分析的较少[7]，现场监测成果更少[8]；控制措施主要是实施临时过渡路面、填筑EPS等轻质材料、采用土工材料加筋，也有对新填土基础处理或采用隔离桩(墙)等。滨水高填土路堤拓宽工程又有特殊性[9-11],朱益军等[6]提出为避免傍河路堤易受水流冲刷影响而采用挡墙及抛石等边坡防护措施,姚劲松等[9]提出了几种滨水高路堤软基处理方案。所有相关研究还只是初步探索，且对滨水高路堤满足防洪和交通双重功能问题、拓宽加固裂缝控制及结合部处理等核心问题涉及甚少。

因此，为科学解决上述问题，提出经济、科学的工程技术方案，确保工程顺利进行，笔者等选择了哈尔滨第三发电厂贮灰池段采用有限元数值模拟技术对沉降影响进行分析，提出了加宽方案和路堤防裂综合处理措施，同时施工过程中对堤基及堤身沉降进行现场监测，进而开展了寒区滨水高路堤拓宽建设关键技术研究，以便为国内外建设此类工程提供参考。

1 工程概况及自然条件

1.1 工程总况

哈尔滨松花江北岸滨江大道工程位于哈尔滨市松花江北岸，横跨松北和呼兰两个区，工程西起松北肇东界，东至大顶子山航电枢纽，全长约101 km。工程内容包括：堤防工程、滨江道路和景观绿化等。工程以现有堤防为基础，拓宽加固，堤路结合。堤防工程标准为：松北区100年一遇，呼兰区50年一遇；道路工程等级为城市主干道1级。道路宽度：呼兰河以西43 km主要为双向6车道，呼兰河以东58 km为双向4车道设置。堤脚外滩地及堤内护堤地实施景观绿化。工程总投资约68亿元，于2011年4月开工建设。

1.2 路堤方案

哈尔滨第三发电厂贮灰池段位于松花江一级支流——呼兰河河口。该段原围堤为哈尔滨第三发电厂存储粉煤灰而建，松花江大顶子山航电枢纽建成后该段围堤成为库区围堤的一部分。现状测量成果显示，该段江测滩面高程约112 mm～114 mm，现状堤顶宽约4 m～5 m，堤顶内侧全线铺设输灰管；堤防江侧边坡原设计坡比为1∶3，采用干块石护砌，结构基本完好。堤防内贮灰池侧基本无护坡结构，且取灰、贮灰作业频繁，未贮灰时池底标高约113 m～114 m，池内水文位与松花江内水位基本齐平或略高。

根据总体设计，该段道路考虑采用堤防与道路合二为一，在原堤防基础上拓宽形成总宽24.0 m、双向 4 车道的道路。为减轻堤外加宽方案对呼兰河行洪影响，同时避免破坏原有护坡结构，拓宽加固方案采取在贮灰池内侧加宽。为尽量避免对既有输灰管影响及考虑原灰池围堤结构稳定性对道路纵向开裂的影响，机动车道尽量建设在新填路堤基础上。路堤内侧坡比为1∶3，水上采用草皮护坡，平台以下采用生态格网护坡(见图1)。

图1 堤路扩建断面及监测布置示意图

1.3 水文气象

根据总体设计，该段堤路采用50年一遇洪水标准。水文分析成果显示该段松花江内50年一遇设计高水位为119.0 m，常水位为115.5 m～116.0 m。贮灰池内水位监测结果显示约116 m，暴雨期间因无排水设施，水位最高达118 m以上。

该区域属中温带亚湿润—亚干旱大陆性季风气候区，四季分明，年内温差较大。气象监测资料显示，7月份最热，累年各月极端最高气温39.2℃，绝对最高气温在40℃以上；1月份最冷，累年各月极端最低气温-37.7℃，绝对最低气温在-40℃以下。日气温变化也较大，最大温差超过20℃。

1.4 地质条件

工程地质勘察报告显示，电厂贮灰池灰坝位置的土层由上至下依次为：人工填土(原灰坝堤身)为低液限黏土、级配不良细砂等，厚度为5.90 m；堤基为第四系全系统冲积层，包括①层有机质高液限粉土，层厚度2.30 m；②层粉土质细砂，层厚为3.80 m；③层级配不良中砂层，层厚为6.70 m；④层级配不良粗砂层，层厚大于20 m(见表1)。

表1 工程地质及模型计算参数

2 数值分析及结果

2.1 数值模型

为分析不同设计方案堤基差异沉降和边坡稳定等问题，采用PLAXIS进行平面应力有限元建模。模型计算中土体及吹填砂均采用摩尔库仑理想弹塑性本构模型。天然土层分为八层，计算参数根据典型断面室内试验获得，如表1所示。根据堤身处理拟定方案，在堤身回填过程中在堤身底部、镇压平台位置及路基顶面等3个位置各铺设一层土工格栅，用以降低路堤不均匀沉降及控制不均匀沉降和路基冻融向路面结构层传递。地基和回填土采用实体单元(15节点等参单元)模拟，土工格栅采用格栅单元模拟。整体计算模型总宽150 m，标高位于39 m～124 m，即计算深度85 m。

2.2 计算方案

为研究平台镇压及土工格栅处理对差异沉降控制的有效性，计算了三种工况：(1) 不设镇压平台+格栅加筋(图2(a))；(2) 有镇压平台+无格栅加筋。(3) 有镇压平台+格栅加筋(图2(b))。路面荷载按《公路桥涵设计通用规范》[12](JTG D60-2004)中一级车道荷载的均布荷载标准值10.5 kN/m取值。计算时首先考虑地应力平衡，在地基土激活状态下进行应力平衡，然后进行分层填土，每层填土固结时间为20 d，最后一级填土完成后，固结30 d。填土过程采用固结分析模拟，土工格栅铺设采用塑性计算模拟。应力平衡时，填土及土工格栅单元处于冷冻状态，根据施工过程逐步激活各层填土及格栅以模拟路基填筑过程。为了比较保护措施的效果，三种工况计算过程相同。计算模型见图3。

图2 计算工况示意图

图3 平面二维有限元模型示意图

2.3 模拟结果

图4、图5为第三种工况条件下水平位移和沉降计算云图，图6为第三种工况条件下土工格栅及沉降变形图，图7为第三种工况条件下边坡滑弧位置图。计算结果显示：工况1的最大沉降变形发生在堤顶偏内路肩侧的位置，为97.4 mm；新老路堤最大差异沉降为77.3 mm；最大水平位移出现在坡脚堤基位置，为17.1 mm。工况2的最大沉降变形发生在堤顶偏内路肩侧的位置，为94.3 mm；新老路堤最大差异沉降为76.6 mm；最大水平位移出现在坡脚堤基位置，为6.2 mm。工况3的最大沉降变形发生在堤顶偏内路肩侧的位置，为93.8 mm；新老路堤最大差异沉降为80.5 mm；最大水平位移出现在堤基位置，为6.1 mm。计算结果还显示，增加镇压平台和土工格栅后，边坡稳定安全系数大大提高，为2.523。

图4 水平位移等值云图

图5 沉降位移等值云图

图6 土工格栅及沉降变形示意图

图7 边坡滑弧位置示意图

3 差异沉降控制措施

3.1 堤基及堤身措施

根据相关研究[2-9]，滨水路基扩建主要从堤基基础处理、边坡稳定控制、堤身加筋处理等来达到差异沉降控制目的。贮灰池段地质勘察结果显示，扩建部分的基底顶面为粉土质细砂，其下为级配不良中砂和级配较好的中粗砂，排水条件较好，压缩性较小，堤基基础相对较好。另外，数值模拟结果显示，扩建施工后堤基在2个月后基本沉降稳定。所以，可在堤身填筑后利用哈尔滨近6个月冬季难以施工路面结构而自然形成堆载预压，处理堤基基础。同时，为降低新老路堤差异沉降，堤基和堤身采用清基换土、台阶开挖，堤身两侧采用平台镇压，新建堤基底及堤身中部采用土工加筋等措施(图1)。

3.2 路面结构措施

大量调查资料表明，堤基及堤身差异沉降会导致路面开裂，路面雨水会由裂缝下渗，进而降低堤身土体强度，加剧堤身沉降变形，进而加剧裂缝开裂。寒区季节性冻土区由于雪水和雨水下渗，会因冻胀因素破坏性更强。路面结构防水排水性能、结构抗裂性能，对差异沉降的控制也起到较大作用。路面表面排水可利用滨水高路堤的独特优势，采用散排或集中散排方式外排至堤外江(河、湖、海)，降低工程投资。路面内部上、中面层采用密级配沥青混凝土AC结构，并采用改性沥青，即4 cm细粒式沥青混凝土(AC-16C，改性沥青)，6 cm中粒式沥青混凝土(AC-20C，改性沥青)，8 cm粗粒式沥青混凝土(AC-25F)，一方面提高沥青路面的强度，另一方面降低水分入渗。在面层与基层之间采用乳化沥青PC-2作透层，采用乳化沥青ES-2稀浆封层。透层与下封层可有效防止水分下渗，有效减少水分入渗，也可防止寒区冻融破坏。

根据国内外相关研究，沥青路面防裂措施除了在路基基础变形控制、路基基层干缩控制及路基冻融控制外，就是在基层顶面采用土工格栅、玻璃格栅加筋，或者在沥青混凝土内添加锚头丝、聚酯纤维等方式增强沥青路面结构的抗拉性能。所以，该工程在沥青混凝土内掺入聚酯纤维，提高沥青混凝土强度、稳定性、耐久性，同时在路面结构层下部通长布置一层双向土工格栅，并在新老结合部布置一层加强土工格栅，两层间距30 cm，防止新老结合部道路纵向开裂。

4 现场监测及结果

4.1 监测方案

为监测路堤在填筑过程中新老路堤不均匀沉降和新建路堤的侧向变形，在监测断面道路两侧路肩(测线C和测线A)和道路中心(测线B)位置埋设分层沉降管(图1)，监测路基土层不同深度的沉降情况，确定路基的分层沉降和压缩厚度。分层沉降管埋深30 m，在管底、土层分界面、清基位置分别设磁环。清基完成后完成堤基以下部分的钻孔埋设，并在堤身填筑过程中不断接长。磁环每2 m设一个。A、C测线布置14个磁性沉降环，B侧线布置13个磁性沉降环，沉降环标号从上到下逐渐减小，测线A中沉降环A14在最顶端。堤顶和地表沉降观测采用沉降板，分别布置在临水侧和背水侧。在路堤边坡坡趾处埋设测斜管，埋深29 m。在监测断面位置每层土工格栅上布置6个测力计，监测土工格栅的受力变形情况，并在同一位置埋设垂直土压力盒和水平土压力盒各一个。测试工作从2013年7月路堤填筑前开始，一直持续到该段路堤填筑结束(2013年8月)，并持续一段时间。

4.2 现场监测结果

堤路堤身填筑日期为7月10日到8月16日。沉降管A的填土高度为6.4 m(见图8)。累计沉降监测结果显示，堤身填筑1个多月以后，堤基基本沉降稳定，堤基沉降约9.3 cm。各磁环呈现前期沉降较快、后期逐渐平缓的趋势，A11到A14在路堤填筑完成时的沉降量占整个观察时期的累积沉降量分别为97.7%、79.6%、78.9%、56.3%。其中，A11靠近路基，在填土结束后固结基本完成，沉降量基本稳定，其他沉降环需要再持续固结一段时间，与实际情况相符。填筑时，由于填筑体的自重和机械碾压，下部沉降环的沉降变化速率比上部的要小，曲线更缓，说明土工格栅起到减轻不均匀沉降的作用。沉降管B的填土高度为3.917 m(见图9)，B11到B13在道路填筑刚完成时的沉降量占整个观察时期的累积沉降量分别为96.1%、88.5%、62.5%。B10埋设在老路基内,只有3 mm的沉降量，其他规律与A管基本一致。C管的沉降环全部在老路堤以下埋设的，并且老路堤没有填土，观测的沉降量基本在-0.1 cm到0.1 cm左右摆动。可以得出老路堤经过多年的使用，沉降基本已经完成，清基换土、台阶开挖等对老路提几乎没有影响。

图8 分层沉降管A管荷载-时间-沉降变化曲线

图9 分层沉降管B管荷载-时间-沉降变化曲线

H1和H2分别为江侧和岸侧沉降板的监测数据。监测数据显示，沉降量随着填土高度的增加而增加，变化基本一致，数值上与基本同样位置的A11，B11也基本一致，如图10和图11所示。

图10 沉降板H1管荷载-时间-沉降变化曲线

图11 沉降板H2管荷载-时间-沉降变化曲线

监测结果还显示，测斜管在拓宽的路堤施工之前就产生了一定的变形(见图12)，其中在软土层表面和深度10 m～13 m的初始变形最大,说明地基的软土层在清基换土、台阶开挖、平台镇压后产生了较大的侧向变形。当软土层垂直受压时, 其最大侧向位移一般出现在1/3地基深度处，监测得到的数据基本符合这个理论。在整个填土期间，侧向变形是比较稳定的，变形量非常小，位移量最大仅为6 mm。另外土前期产生的侧向位移要比后期的位产生的侧向位移要多。

图12 测斜管孔深度-时间-水平位移变化曲线

垂直土压力监测显示(见图13)，同一层的垂直土压力的变化趋势和最终的大小基本一致，数值上接近σ=γh，说明老路堤和新路堤的分界面对填土的垂直土压力几乎没有影响。

图13 垂直土压力计压力-时间-荷载变化曲线

水平土压力监测显示(见图14)，同一层的水平土压力随着远离新老路堤的分界面而逐渐减小，最大水平土压力应该发生在新老路堤的结合处。此时如果土体未添加约束．土体可能会向自由表面挤出．在水平方向产生较大的位移，在竖直方向有隆起的趋势。所以，新旧路基结合部坡脚处为加宽路基施工的薄弱部位．在设计和施工的过程中应给予关注。本工程中，采用台阶开挖并铺设土工格栅筋材，防止形成连续的滑动面，约束变形的发展，增强了路基的稳定性和使用的安全性。

图14 水平土压力计压力-时间-荷载变化曲线

5 结 论

基于二维有限元模型和现场测试结果，研究了哈尔滨松花江北岸滨江大道堤路拓宽路段差异沉降控制措施效果和相关变形参数，并分析了堤基堤身处理措施的有效性，得出如下结论：

(1) 清基换土、台阶开挖、平台镇压、土工加筋、防身排水、反射裂缝控制等综合措施可有效减轻滨水路堤差异沉降，防止道路路面纵向裂缝。

(2) 沉降主要位于新建路堤堤身及堤基，而老路堤沉降量可以忽略，加宽路基研究中不能简单考虑垂直沉降，计算及监测时必须考虑新填路堤的水平位移。

(3) 由于堤基较宽，土工加筋及平台镇压对最大沉降变形及最大差异沉降影响效果不明显，但坡脚最大水平位移减小明显，边坡稳定性提高，进而可防止新建侧变形发展。

(4) 拓宽路堤的坡脚处为路基的薄弱部位，设计和施工过程中应给予高度关注，土工加筋和平台镇压是其中较有效的措施。

[1] 季永兴,朱晓丹,李硕娇，等.哈尔滨松花江北岸滨江大道建设关键技术研究及实践[C]//第五届中国水利水电岩土力学与工程学术研讨会论文集,北京:中国水利水电出版社,2014：131-136.

[2] 潘国强.高速公路改扩建工程中路基加宽方式及其特点综述[J].公路工程，2007,32(5):38-42.

[3] 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[J].岩土力学,2011,32(4):1216-1222.

[4] LIN Yang, WEI Shan. Stability analysis of widened-embankment based on strength reduction Finite Element Method[C]//International Conference on Transportation Engineering 2009. ASCE, 2009：3362-3367.

[5] TONG Huai-feng, SUO Li-jun. Mechanism research on post-processing technology in the widening application of expressway[C]//ICTE 2011. ASCE, 2011：1749-1754.

[6] 朱益军,毛 斌,杨少华，等.傍河软土高路堤工程病害及对策[J].公路,2011(8):144-148.

[7] 陈 磊,刘汉龙,陈永辉.高速公路拓宽工程地基处理效果的数值分析[J].岩土力学,2006,27(11):2066-2070.

[8] 刘观仕,孔令伟,丁 锋，等.高速公路扩建工程软基拓宽的沉降监测与分析[J].岩土力学,2007,28(2):331-335.

[9] 姚劲松,董志超.南京浦口区滨江大道高路堤深厚软基处理设计[J].人民长江,2011,42(20):68-71.

[10] Dong Yun, Wang Bao-tian. Study on the stability of road embankment banding with river bank[C]//Advances in Unsaturated Soil, Geo-Hazard, and Geo-Environmental Engineering, 2011:125-132.

[11] Seok W J, Yun W C, et al. Centrifuge modeling of differential settlement and levee stability due to staged construction of enlarged embankment[J]. KSCE Journal of Civil Engineering, 2014,18(4):1036-1046.

[12] 中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

Numerical Simulation and Site Monitor of Differential Settlement for High Water front Road Expansion Project

LI Guolin1, SONG Chunyu2, LI Shuojiao1, SUN Lei2, JI Yongxing1

(1.ShanghaiWaterEngineeringDesignandResearchInstitute,Shanghai200061,China;2.SchoolofNavalArchitecture,Ocean&CivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200336,China)

A hundred miles of riverside avenue at the north bank of Songhua River in Harbin expanded on existing embankment is a large-scale projects located in the clod area, which not only need to meet the requirements of flood control, but also meet the requirements of traffic. Based on analysis of quality of the old dike body and foundation, expansion foundation, and hydrology, temperature, a 2D vertical mathematical model was developed at typical section, and the results of differential settlement control and related parameters of deformation were simulated for measures of base soil replacement, step excavation, platform repression, preloading, three layers of geotextile reinforcement, seepage drainage. The surcharge preloading and the time for pavement construction was proposed according to the deformation process of foundation and dike body, and proposed other measures such as pavement drainage, reflective crack control. The field monitoring results showed that the implementation of comprehensive treatment technology can effectively prevent cold area of high embankment of old and new waterfront road junction longitudinal cracking.

embankment; road; riverside avenue; cracking control; Songhua River; Harbin

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.020

2016-07-20

现代设计集团科研课题项目(12-1类-0092-利)

李国林(1962—)，男，上海人，高级工程师，国家注册咨询工程师、国家注册土木工程师，主要从事水利工程设计与研究。 E-mail: ligl@swedri.com

宋春雨(1973—)，女，辽宁海城人，博士，主要从事岩土力学教学及科研工作。 E-mail: chysong@sjtu.edu.cn

U416.1+68;TV223.2+1

A

1672—1144(2016)06—0096—06