公路拓宽工程中沉降控制复合地基的优化设计

吕振北 赵文明

摘 要：依据沉降控制设计理论，本文对公路的相关设计规范进行分析，结合其路面功能、结构要求，提出公路拓宽工程中沉降控制复合地基的优化方法。同时，以某公路拓宽工程为例，对其混凝土复合地基的差异化沉降进行分析，验证本优化方法的准确性。仿真结果显示，混凝土桩长为8 m，桩径为0.5 m，掺入比为15%，面积置换率为8.9%，其复合地基的承受力可以达到150 kPa。总之，对公路拓宽工程中沉降控制复合地基参数进行优化设计，可以提高软基公路拓宽工程的施工效果，并节约相应的成本。

关键词：公路拓宽;混凝土搅拌桩;沉降率控制;复合地基优化

中图分类号：U416.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0092-04

Abstract： Based on the theory of settlement control design， this paper analyzed the relevant design specifications of highways， and combined its pavement function and structure requirements， and proposed an optimization method for settlement control of composite foundations in highway widening projects. At the same time， taking a highway widening project as an example， the differential settlement of its concrete composite foundation was analyzed to verify the accuracy of the optimization method. The simulation results show that the concrete pile length is 8 m， the pile diameter is 0.5 m， the mixing ratio is 15%， the area replacement rate is 8.9%， and the bearing capacity of the composite foundation can reach 150 kPa. In a word， the optimization design of the settlement control composite foundation parameters in the highway widening project can improve the construction effect of the soft highway widening project and save the corresponding cost.

Keywords： highway widening;concrete mixing pile;settlement rate control;composite foundation optimization

目前，我國很多路段的交通量趋于饱和，需要对现有道路进行拓宽，以满足交通量增长的需求。原有公路经过多年运营，存在沉降严重的问题，在其边坡进行公路拓宽，会造成新旧路基的差异化沉降，增加路面开裂等病害的发生率。如何有效控制新旧路基的差异沉降率，最大限度地降低拓宽对公路结构和功能的影响，提高新旧路基衔接效果，是目前公路拓宽工程亟待解决的问题。本文以软土地基下的混凝土搅拌桩的复合地基处理为例，分析某公路拓宽工程的效果，旨为公路拓宽工程的施工提供理论支持。

1 沉降控制复合地基的设计

依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）要求，在公路拓宽工程中，复合地基设计要符合变形控制设计的原则，满足公路的实际使用功能，保证公路现有结构的稳定。工程施工实践显示，复合地基可以有效减少软土地基的路基沉降，缩小新旧路基之间的差异沉降。混凝土复合地基优化的目的是将路基沉降控制在容许范围内，满足相应的承载力要求，合理地设计相关参数，提高公路拓宽的经济效益[1]。

在软土地基沉降控制中，变形控制理论以传统的承载力控制理论为基础，可以为施工单位和建设单位带来较高的经济效益。在实际施工过程中，采用复合地基处理方式，大多可以满足地基的承载力需求。此时，公路结构就成为沉降控制设计的主要影响因素。依据沉降控制理论，要预先分析沉降控制标准，然后在满足沉降要求的基础上，提高复合地基的设计效率，节省施工的相关费用，发挥公路的实用功能，保持原有的公路结构。

2 软基公路拓宽工程的沉降控制标准

公路沉降的控制标准是进行软基工程拓宽的前提，也是有效控制新旧公路路基差异沉降的条件。新建公路路基固结程度不同，必然会产生差异沉降，但差异沉降需要小于路面的允许值，以保证公路的结构稳定[2]。

2.1 公路设计规范中的沉降控制相关标准

《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）提出，在软土地基上，原有公路的拓宽设计需要满足以下条件：新旧路基拼接前，需要控制两者之间的差异沉降，原有路基与拓宽路基之间的拱横坡度小于0.5%，原有路基中心附加沉降小于30 mm，具体指标如表1所示.

2.2 仿真分析沉降控制标准

2.2.1 基本假定。公路拓宽工程假设如下：为了分析公路平面应变问题，可以对路堤进行对称性分析，取公路地基的一半土样;路面层、补强调平层均采用混凝土材料中的非线性弹性计算模型，基层、路堤填土采用Mohr-Clumb材料的弹性计算模型;对公路差异沉降路面结构的应力变化进行分析，忽视路堤的重力作用;土体、垫层、下卧层均被假设为各项均质材料，且材料之间不发生位移，呈现连续性接触;拓宽路堤接缝处在经过后续处理后，与原有路堤构成整体;边界条件为约束左边界水平方向位移，上边界、右边界位移自由，下边界给定[3]。

2.2.2 相关材料的计算参数。Concrete材料的参数设定如表2所示，Mohr-Columb材料的计算参数如表3所示。

2.2.3 边界约束条件。对左边界的水平方向进行位移约束，上边界、右边界位移自由。对于路堤底面处的边界，并未对其进行约束，因为路基会产生一定的沉降变形。路堤荷载会在路底面产生位移，所以要对路堤底面进行沉降分布实测。本文选择的路堤地面最大沉降值为5 cm，其依据为两条：软基公路拓宽工程要求其总沉降小于15 cm，为了实现沉降的双重控制，将公路地面的沉降值设置<5 cm;《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）明确指出，原有路基中心附加沉降值<3 cm，而路堤自身的荷载对路底变形影响不大，所以计算时忽略重力作用，将公路地面的沉降值设置<5 cm。

2.2.4 混凝土路面计算结果分析。在路堤底面增加位移条件后，附加拉应力、压应力的变化如图1所示。

在路基差异沉降增加时，路面会产生明显的附加拉应力、压应力集中现象，使得公路路面层处于受拉状态，补强调平层上部受拉、下部受压，且最大附加拉、压应力位于距路面5 m处，且主应力方向与路面垂直。

路面附加拉应力最大值位于距路中6～8 cm处，距新旧地面接缝处4 cm。在新拓宽的路面接缝位置2 cm处，也存在较大的附加拉应力。

路面层顶部的距离变化如图2所示。路面层底部的距离变化如图3所示。路面补强调平层的距离变化如图4所示。路面补强调平层顶部与施工后附加拉应力之间的回归关系如图5所示。

2.2.5 计算结果。通过仿真分析可知，新旧公路施工后基层的横向成正比，与路面最大附加拉应力呈正相关，说明沉降比越大，路面的受压情况越明显[4]。当沉降比为0.5%时，附加拉应力为0.67 MPa，超过路面结构中的稳定碎石层的极限抗拉强度，会导致路面开裂。综合相关公路设计标准、路面功能和结构要求，可以对新旧公路横向沉降比进行调整，实际变化小于0.45%，并以此作为软基公路拓宽的差异沉降允许标准。

3 实际案例验证

依据上文研究的软基公路拓宽工程的新旧路基差异沉降的容许标准，下面结合沉降控制设计理论，对差异沉降的混凝土搅拌桩复合地基进行优化，并以某公路为例进行验证。

3.1 公路概况

按照混凝土搅拌复合桩设计标准进行分析，该公路的软基层厚度为7 m，层顶填埋深度为1 m。原有软基处理方式为塑料排水板+砂垫层，其参数为：行距等于1 m，厚度为50 cm。人们对软土的特点进行综合分析，决定采用混凝土复合地基进行处理。混凝土桩长为8 m，桩径为0.5 m，掺入比大于15%，桩距为1.0～1.6 m。

3.2 计算方法

对拓宽路基下面的软土层进行基变计算时，要考虑其荷载分布特点和新旧基土之间的影响，所以计算过程比较复杂。为了提高计算结果的准确性，简化其计算过程，可以通过仿真方法模拟各种复杂工程条件，将不规则的路堤进行单位划分[5]。通过仿真分析，人们可以了解软土变形、软土固结、应力分布规律，更好地控制混凝土复合地基的沉降。

3.3 相关参数设定

混凝土复合地基计算参数的设定依据《公路地基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）中的相关要求[6]，具体内容如表4所示。

3.4 沉降计算结果

通过计算沉降结果，人们发现，拓宽路基软土基层经过混凝土搅拌桩加固后，沉降率显著减少，最大沉降距离为6～8 cm。路基沉降主要以旧路堤坡脚为轴线向两侧减少，最大沉降发生在距离路面25 cm的路堤坡脚。混凝土搅拌桩间距由1.2增加到1.6 cm时，旧路面中心处附近的沉降为0.5～1.0 cm，具体情况如图6所示。

通过上述分析可知，混凝土复合地基可以满足路基拱横向坡度变化小于0.45%的标准。但是，如何選择桩间的距离是混凝土复合地基优化的关键。由于该公路处于软土层，而且混凝土掺入比固定，只有通过改变面积置换率，才能实现对桩距的优化，具体优化结果如表5所示。

由表5分析可知，如果混凝土复合地基面积置换率过低，新旧路面差异沉降过大，超过差异沉降允许值，就会造成路面结构出现塌陷。如果混凝土复合地基面积置换率过高，就会造成路基沉降控制效果较差，增加施工成本。通过上述推算，结合差异沉降控制标准，路基拱横向坡度变化小于0.45%，混凝土复合地基面积置换率为8.9%，可以有效发挥混合地基与土体之间的协调作用，有效控制差异沉降率。

3.5 承载力验算

在混凝土复合地基桩体质量可靠的情况下，混凝土桩长为8 m，桩径为0.5 m，掺入比为15%，面积置换率为8.9%，其复合地基的承受力可达到150 kPa，明显大于本横断面的设计荷载140 kPa，其承载力符合相关要求。

4 结语

在软基公路拓宽工程中，人们需要结合其施工特点和沉降控制理论，合理选择拓基工程的相关参数，以提高技术的可靠性、工程的经济性。仿真算法可以综合考虑新旧路基之间的关系和条件，对相关参数进行分析，以得到最优的设计结果。研究结果显示，路基拱横向坡度变化小于0.45%，混凝土复合地基面积置换率为8.9%，可以有效发挥混合地基与土体之间的协调作用，有效控制差异沉降率。

参考文献：

[1]蔡凡，严周洪.关于城市道路地下构造物差异沉降控制的探讨[J].城市建设理论研究，2020（18）：109-110.

[2]万明栋，陈帅.滨海相淤泥质软土路基差异沉降控制[J].四川公路，2020（3）：67-69.

[3]张斌.富水砂层中盾构掘进地面沉降控制[J].建材与装饰，2020（20）：274-276.

[4]陈伟乐，张士龙.海底沉管隧道基础处理及沉降控制技术的新进展[J].公路，2020（8）：395-399.

[5]于平湖.大型箱涵作用下高填石路基沉降控制方法的研究[J].科学技术创新，2020（21）：94-96.

[6]刘立明.地铁盾构下穿哈大高速铁路加固效果分析[J].山西公路，2020（16）：136-138.