下立交挡土墙直立收坡路段路基稳定性及拓宽处理方式

金云松 陈卫斌 陈启夫 陈澍洋

(1.玉环市交通局，浙江 玉环 317600； 2.玉环市公路管理局，浙江 玉环 317600；3.台州市交通勘察设计院，浙江 台州 318020； 4.东南大学智能运输系统研究中心，江苏 南京 210096)

0 引言

公路下立交路段，采用挡土墙进行直立收坡是常用形式。在软土地区，若要采用此形式，路基的稳定性需要经过严格论证。任育林等[1]对采用桩承的悬臂式挡土墙进行了计算，验算其最大挠度；吴晓峰等[2]提出了针对不同墙身高度下的路基拓宽方案。本文以软土地区某公路下立交为例，运用ABAQUS有限元软件，建立计算模型，分析挡土墙直立收坡的稳定性及路基沉降特性；在此基础上，在辅道下的新路基中打设水泥搅拌桩进行软基处理，分析不同桩基处治方案下的路基土沉降变形特性。研究成果对于老路拓宽设计有一定的参考价值。

1 工程背景

本工程为双向六车道一级公路标准，为老路改造。老路横断面为三块板的城市道路断面，现以两侧扩建方式进行改建，新路断面为“双向六车道主线+两侧各5 m宽辅道”。该工程特殊路段为主线下立交路段，下沉通道边坡采用悬臂式挡土墙直立收坡。

2 数值计算模型构建

2.1 模型概述

本文对含桩承式挡土墙的下立交进行建模分析。各构筑物的模型尺寸为：辅道及人行道部分宽12 m，挡土墙外侧延伸8 m，模型深度根据地勘报告而定，挡土墙高为3.5 m。模型示意图如图1所示。

在图1模型基础上，对新路基采用水泥搅拌桩法进行软基处理，研究不同桩长、桩间距下的路基沉降特性,如图2所示。

2.2 模型计算参数确定

2.2.1荷载参数

行车荷载采用双圆均布荷载，半径为10.65 cm。选用标准轴载BZZ-100，荷载大小为0.7 MPa。

2.2.2材料物理力学参数

根据该工程项目设计文件，各构筑物材料参数如表1所示。

表1 各构筑物材料参数

模型中各土体的物理力学参数主要参照该项目地质勘察报告，如表2所示。

表2 模型土质参数取值表

2.2.3计算工况

根据土体参数建立墙基桩长分别为6 m～9 m的有限元模型，研究荷载作用下路基区变形特性。随后，在拓宽部分的软基中打设水泥搅拌桩，变化桩长及桩间距，考察不同桩基组合下的路基沉降特性。各工况见表3。

表3 变桩长、变桩距计算工况 m

3 计算结果及分析

3.1 拼宽路基区域不做软基处理时桩基及路基变形特性

挡土墙下桩基共三排，按与路基边缘距离大小分为前桩、中桩、后桩。

路基受荷后的变形情况计算结果表明，不同桩长的路基土位移水平差异不大。以桩长8 m为例，计算所得路基土水平位移、等效位移如图3所示。

由图3可见，路基土最大水平位移位于后桩桩顶后方淤泥质土层中，大小为3.5 cm，挡土墙的存在有效的限制了路基土沉降的趋势。

不同桩长条件下，路基表面沉降水平、路基外侧地基土的水平及竖向位移的计算结果如图4～图6所示。

由上述计算结果可得：

1)路基表面最大沉降值为11 cm，出现在中心位置，沉降值由路中至路侧呈线性减少。桩长由6 m～8 m增大，路基沉降基本无变化，达到9 m时，路基表面最大沉降较前三种情况减小1.5 cm，可见桩长与路基沉降无明显关系。

2)增加桩长，路基外侧地基土的竖向位移几乎无变化；水平位移在桩长由6 m增大至8 m时也几乎无变化，增大桩长至9 m，最大水平位移降低约0.25 cm，故路基外侧土体的水平位移与桩长无明显关系。

3)路基外侧土体产生的水平移动和竖向位移在7 m外基本消除。因此，软土地区道路改扩建工程的设计可据此考虑路基外一定范围内土体变形对其中构筑物的影响。

3.2 拼宽路基区域做软基处理后路基变形特性

本节在上节计算模型的基础上，考虑在新路基下的软土层中打设水泥搅拌桩进行软基处置的情况，变化桩长、桩间距，模拟计算处治效果。

3.2.1路基沉降特性分析

保持桩间距为1 m，桩长分别为8 m,10 m,12 m时，路基沉降的计算结果如图7所示。保持桩长为10 m，桩间距分别为1.0 m,1.2 m,1.4 m时，路基沉降的计算结果如图8所示。

各种桩基处治方案组合下计算所得路基表面沉降最大值如表4所示。

表4 各处治方案组合计算所得路基表面沉降最大值

由上述计算结果可得：

1)加宽部分不做软基处理时，路基表面最大沉降值为10.74 cm；若采用水泥搅拌桩法处理，当桩长为8 m,10 m,12 m时，最大路基表面沉降值为7.33 cm,6.73 cm,6.04 cm，相比不做处理的情况减小了31.8%,35.7%,43.8%。计算结果表明水泥搅拌桩法对于减少拼宽段路基不均匀沉降的效果显著。随着桩长增加，组合二、三较组合一的消减幅度为8.2%,17.6%，表明增加桩长并不能大幅提高治理效果。

2)保持桩长为10 m，桩间距为1.0 m,1.2 m,1.4 m时，路基沉降计算曲线基本没有区别，改变桩间距无法明显改善沉降治理效果。

3.2.2填土体变形特性研究分析

以桩长8 m为例，路基水平位移计算云图如图9所示。根据图9所示位移情况可见，路基发生水平位移主要集中在挡土墙墙踵处及附近区域。因此在设计时，应注意该区域采取相对应的加强措施。

保持桩间距为1 m，桩长分别为8 m,10 m,12 m，路基土最大水平位移如表5所示。

表5 桩间距不变、桩长改变时路基土最大水平位移计算表

保持桩长为10 m，桩间距分别为1 m,1.2 m,1.4 m，路基土最大水平位移如表6所示。

表6 桩长不变、桩间距改变时路基土最大水平位移计算表

根据表5,表6可知，若保持桩间距不变而增加桩长，路基土最大水平位移值减小明显，消减幅度不断减小。若保持桩基长度不变而增大桩间距，路基土水平位移的变化较为不明显。

4 结语

本文对挡土墙直立收坡情况下路基变形特性、拓宽路基部分打设水泥搅拌桩进行联合加强的处治效果进行了模拟计算，得到了以下结论：

1)挡土墙的存在可以有效地减小路基填筑体向下沉通道中心偏移的作用。

2)受行车荷载和土体自重荷载影响，路基坡脚外侧一定范围内的土体存在位移现象，应注意此区域内桩基、管线等重要构筑物和设施的保护。

3)水泥搅拌桩法对路基加宽区域进行软基处理的效果较为显著，应避免无谓的增加桩长和布桩密度，有效治理路基沉降的同时节省投资。