软土条件下拓宽道路路基差异沉降分析

朱绍勋

中交一公局第七工程有限公司，河南 郑州 451452

随着城市化进程的快速发展，大量人口涌入城市，人口的高度集中给城市带来了巨大的交通压力。目前我国的道路多为双向四车道，已经无法满足城市交通的要求，因而对现有道路进行拓宽改造势在必行。在我国沿海地区，道路工程的地质条件多为软弱土层，其承载能力低、稳定性差。多数工程实践证明，在软土条件下，对道路进行拓宽改造，由于原有道路经过长期使用，路基沉降的稳定性较高，而道路拓宽后，新旧路基之间容易产生沉降差甚至造成路基失稳。

候志峰等[1]依托市政道路工程，利用有限元软件ANSYS建立道路拓宽改造模型，研究分析了软土条件下道路拓宽路基差异沉降特性及规律，提出了降低差异沉降的技术措施。姜超[2]通过分析道路拓宽中新旧路基差异沉降的成因及影响，提出了控制拓宽道路差异沉降的建议。刘洋[3]基于有限元方法研究分析了不同影响因素下拓宽道路的沉降变化规律，并结合实际工程总结了软土条件下路基差异沉降的控制施工技术及处治措施。林青[4]基于有限元方法建立了高速公路拓宽改造的数值模型，结合拓宽道路大比例尺模型试验，开发设计出了道路拓宽路基沉降的模拟系统。

1 新旧路基有限元数值模型建立

1.1 有限元模型的基本假定

（1）以旧路的中心作为道路拓宽改造的中心，并假设新旧路基之间的接触为理想连接；（2）在数值模型中，新旧路基与地基土体等均为各向同性材料，故采用摩尔-库仑模型作为本构模型；（3）模型单元采用八节点实体单元；（4）假设旧路基的变形沉降已基本稳定。

1.2 MIDAS GTS NX建立数值模型

MIDAS GTS NX作为一款功能强大的有限元软件，能够进行线性和非线型的静力分析、固结分析以及施工阶段的分析等。文章根据某道路拓宽工程的路基土层参数（见表1）建立相应的道路拓宽模型，其建模过程及步骤如下：

表1 新旧路基土层参数

（1）按照道路拓宽部分采用天然地基、搅拌桩、桩板式地基三种地基处理方式，建立道路拓宽新旧路基模型，其中，地基宽度为90m、高度为25m，原路基宽度为26m。进行拓宽时，先在原路基边坡上开挖施工高度为1m的台阶，坡度为1∶1.5，原路基两侧均拓宽10m，路基高度为7m、桩长为13m、桩径为2.5m，板的宽度为10m、厚度为0.25m。

（2）按照表1定义材料及网格属性，其中板与桩材料采用C30混凝土。

（3）利用八节点实体单元进行模型网格划分，道路拓宽有限元数值模型见图1。

图1 道路拓宽有限元数值模型

（4）对模型施加约束及重力场。

（5）根据道路拓宽工程的施工工况定义施工阶段，阶段一为开挖原有路基边坡，阶段二为新路基地基处理，阶段三为填筑新路基。

（6）求解模型。

2 新旧路基数值模拟分析

通过对道路拓宽数值模型进行求解计算，得到道路拓宽改造完成后原有道路路基表面的附加沉降及横向位移曲线见图2、图3。图2与图3中的三条曲线分别为采用板桩式复合地基、搅拌桩地基以及天然地基三种地基处理方案计算得到的原有道路路基附加沉降及横向位移曲线。由图2可知，原有道路路基表面的附加沉降沿着远离道路中心距离的方向上逐渐增大，其中，采用天然地基的道路拓宽模型其附加沉降增速明显，较另外两种地基方案快；采用板桩式复合地基进行地基处理，原有道路路基的附加沉降最小，且明显小于搅拌桩地基处理的结果。由图3可知，板桩式复合地基与搅拌桩地基两种地基处理方案均能明显降低原有道路路基的横向位移，且效果基本一致。

图2 原有道路路基附加沉降

图3 原有道路路基横向位移

道路拓宽改造完成后，整体道路路基表面的附加沉降与横向位移曲线见图4、图5。其中，距离道路中心13m处为原有道路路基坡顶，18m处为原有道路路基坡脚，18～28m为板桩式复合地基的板结构，30m处为新道路坡脚。

图4 整体道路路基附加沉降

图5 整体道路路基横向位移

由图4可以看出，在0～18m，三种方式处理地基后，原有道路路基附加沉降的曲线变化趋势，且沿着远离道路中心的方向逐渐变大，在18m处达到最大值；而在18～28m，由于拓宽改造，在新路基的荷载作用下，板桩式结构两侧的沉降量大于板结构中部位置的沉降量；在30～40m处，采用天然地基处理的路基，其沉降呈减小趋势，且减小速度与增大速度都较快，而采用搅拌桩和板桩式结构处理地基的路基，其沉降缓慢减小，其中采用板桩式的沉降量要大于采用搅拌桩的沉降量，主要是板桩式结构中混凝土板的重量较大，导致沉降量相对较大。

由图5可以看出，在三种地基处理方式中，通过板桩式结构进行地基处理后，原有道路的横向位移最小，板桩式结构与搅拌桩两种方式的横向位移均在原有道路的坡角处出现转折，在原有道路段达到最大值；从拓宽后的整个道路上看，桩板式结构处理的地基其横向位移沿远离道路中心方向上最小，且最为稳定，在新旧路基交界处的位移变化最小。这表明板桩式结构复合地基能够有效减小道路拓宽改造新旧路基的差异变形。

3 结束语

为了研究软土条件下拓宽道路对路基差异沉降的影响，文章通过MIDAS GTS NX有限元软件建立天然地基、搅拌桩地基、板桩式结构复合地基三种方式分别处理地基后的道路拓宽数值模型，同时研究分析了道路拓宽后原有道路与新道路的路基附加沉降及横向位移的变化规律，总结分析了三种地基处理方式的效果。其中，板桩式结构复合地基能够有效减小道路拓宽后新旧道路的差异沉降，同时能明显减小路基的横向位移，提高路基的整体稳定性。