章 海 明

(1.山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006； 2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006)

高速公路软土路基沉降及处治数值分析

章 海 明1,2

(1.山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006； 2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006)

基于土体固结理论，采用ABAQUS有限元软件对某跨越软土地区的新建高速公路路基沉降量及差异沉降进行分析，并对该工程中采用粉喷桩加固软土地基的处治效果进行了验算。数值模拟计算表明：未经处治的软土地基，随着路堤与路面结构逐渐修筑完成，路基的沉降量随着填土的增加逐渐增加，且初始沉降速率大于后期沉降速率，该路面竣工15 a后，路面表面的差异沉降达到2.2 cm，需对软土地基进行处治以满足道路后期使用性能；在软土地基中采用竖向粉喷桩进行地基加固后，路表面各点的沉降量显著降低，各点处的差异沉降量极小，几乎可忽略不计，表明增设粉喷桩群后，软土地基的强度与刚度得到了显著的提高，有效控制了路基的差异沉降。

高速公路；软土路基；沉降量；差异沉降；粉喷桩

软土路基的沉降分析是道路工程中的设计重点，路基的差异沉降若得不到有效控制将严重影响着道路的使用性能与行车安全[1-2]。目前，我国对于高速公路的沉降控制标准为15 a内的工后沉降不得大于30 cm，但实际工程中当路面表面的不均匀沉降大于20 mm后即需及时进行修补以确保行车安全。因此，如何减少高速公路软土路基的工后不均匀沉降是目前的研究热点[3-6]。

从1923年太沙基建立固结理论至今，关于地基沉降的相关计算理论得到了巨大的发展。目前主要有三类关于地基沉降的分析与计算方法：第一类是基于弹性理论与太沙基固结理论的理论公式法，但该方法未对土体非线性变形与侧向变形进行考虑，存在一定的局限性[7-9]；第二类是沉降预测法，即在工程应用中，通过精密仪器在不同时刻实测出各结构处的沉降量，得到沉降量与时间的关系以对沉降量进行预测，诸如双曲线法，灰色预测法等，但该方法工作量大，需基于准确有效的实测数据[10-11]；第三类是有限元数值分析方法[12-13]，基于比奥(Biot)固结理论及土体材料的非线性、弹塑性本构模型建立路基沉降有限元模型，可计算任意时刻下各模型单元处的应力及位移，由于有限元方法可反应模型的侧向变形及土体的非线性变形，并可考虑复杂的边界条件，目前已被广泛的运用于土基沉降分析中。

本文依托某跨越软土地区的新建高速公路，基于比奥(Biot)固结理论，采用ABAQUS有限元软件，运用Drucker-Prager(D-P)弹塑性模型建立高速公路软土路基结构模型，对其在不同时刻下，路基结构各点处的沉降量进行了分析，并通过设立竖向粉喷桩以减少软土路基的不均匀沉降量，对比研究了处治前后软土路基的不均匀沉降量值，对高速公路软土路基的沉降分析与处治具有指导意义。

1 工程概况

某新建高速公路试验路段跨越软土地区，该公路设计为双向6车道，采用沥青路面结构，路基宽度为34.5 m，路堤及路面按1∶1.5进行放坡，路堤高度为4 m，路面结构层厚度为0.69 m，地质勘查表明该地区软土由表及下依次为淤泥质黏土、粉质黏土，地下水位线位于地面下1 m，为孔隙潜水。该路段拟采用竖向布置粉喷桩对软土地基进行处治以防止其不均匀沉降，桩体直径与长度分别为0.5 m、11.5 m，桩体布置采用阵列式布置，横纵间距均为1 m，软土地基处治的设计方案见图1。

图1试验路段软土地基处治方案

2 软土路基沉降数值模拟计算

2.1 计算结构模型

为模拟不同时刻下，路基在荷载作用下的变形情况，采用ABAQUS软件分别建立未处治软土地基与土工格栅+粉喷桩处治软土地基结构模型，对比研究两种工况下路基的变形情况。

(1) 软土地基上路面结构模型。建立平面模型，模型的地基底面宽度取60 m。高度取24.69 m，其中沥青路面结构为5层，模型底层由下及上依次为8 m厚粉质黏土、11.5 m厚淤泥质黏土、0.5 m厚砂土垫层、4 m厚填土路堤、0.69 m厚沥青路面，路堤按1∶1.5进行放坡。路面结构模型如图2所示。

(2) 土工格栅+粉喷桩处治软土地基结构模型。在软土地基上路面结构的模型的基础上，在路堤趾点添加一层截面积为0.00015 m2的土工格栅，同时在淤泥质黏土层中增设直径0.5 m、长度11.5 m、间距为1.0 m的粉喷桩。结构模型如图3所示。

图2 软土地基上路面结构模型

图3粉喷桩处治软土地基结构模型

2.2 模型参数

结构模型中，地下水位线位于砂土垫层底面下0.5 m。沥青路面各结构层的厚度与材料参数如表1所示；路堤采用D-P弹塑性模型，材料的相关参数如表2及表3所示；砂土垫层的弹性模量E取50 MPa，泊松比μ取0.3，重度γd取20 kN/m3；淤质黏土采用D-P弹塑性模型，渗透系数取0.00012 m/d，材料的相关参数如表2及表3所示[14]；粉质黏土采用Clay Plasticity模型，渗透系数为0.00006 m/d，材料相关参数如表4所示[15]；粉喷桩的弹性模量取120 MPa，泊松比取0.2，渗透系数取1.0×10-6m/d。

2.3 边界约束条件及加载方式

模型底部采用固定约束，左右侧为水平约束，结构上部为自由边界，模型的渗流边界所处条件采用定水头边界条件(Dirichlet条件)，设定地表砂垫层为透水边界。数值计算仅考虑结构自重的影响，按路堤及路面填筑顺序进行加载，加载过程及历时如图4所示。

表1 路面结构及材料特性

表2 D-P模型硬化参数

表3 D-P模型参数

表4 Clay Plasticity模型参数

图4模型结构加载及历时曲线

3 结果分析

3.1 软土地基上路基结构不均匀沉降分析

未加粉喷桩的软土地基上路面结构在不同时刻的沉降云图如图5所示。

由图5可知，随着路堤与路面结构逐渐修筑完成，路基的沉降量随着填土的增加逐渐增加，且初始沉降速率大于后期沉降速率；由路堤铺筑完成并间隔120 d后的沉降云图可知，路基在路堤铺筑完成后，其沉降量在路面中心处达到最大值，且沉降量逐渐向路基边缘处减少，路基的沉降呈倒“圆盆形”。查询不同时刻的沉降量可知：该路面在竣工15 a后，路面表层的中心处沉降量为12.9 cm，路肩处的沉降量为10.7 cm，两处的差异沉降量为2.2 cm，差异沉降量大于2.0 cm后将造成路面开裂，影响路用性能及行车安全，需对软土地基进行处理以防止后期的不均匀沉降。

3.2 粉喷桩处治软土地基后路基结构的不均匀沉降分析

采用粉喷桩处治软土地基后，路基结构在竣工后15 a的沉降变形、水平变形及总变形分别如图6所示。

图5 不同时刻下路基的沉降云图

图6竣工15 a后路基结构的变形云图(粉喷桩增强地基)

由图6可知，采用粉喷桩增强软土地基后，软土地基的总体刚度得到了有效的增强，使得路基变形向地基深处传递，路基下方出现显著的“沉降盆”效应。另一方面，由于粉喷桩底部的土体受到较大压力而收缩，使得桩体两侧土体出现较明显的向两侧挤压趋势。

竣工15 a后，对于未处治软土地基与加粉喷桩处治软土地基下结构模型路表中心至路面边缘各节点的沉降量进行测量，结果如图7所示。由图7可知，采用粉喷桩处治软土路基后，该路面在竣工15 a后，路面表层的中心处沉降量为1.7 cm，路肩处的沉降量为1.5 cm。因此，在软土地基中采用竖向粉喷桩进行地基加强后，路表面各点的沉降量显著降低，各点处的差异沉降量极小，几乎可忽略不计，表明增设粉喷桩群后，软土地基的强度与刚度得到了显著的提高，有效控制了路基的差异沉降。

图7路面表面各点的沉降量

4 结 论

软土路基的沉降分析是道路工程中的设计重点，必须通过验算沉降量与不均匀沉降值以保证道路后期的使用性能，对于验算不合格的软土路基必须采取可行的方法进行加固。本文基于工程实例，采用ABAQUS有限元软件对该工况下的软土路基沉降量及差异沉降量进行了分析，并对该工程中采用粉喷桩加固软土地基的处治效果进行了验算，得到了如下结论：

(1) 未经处治的软土地基，随着路堤与路面结构逐渐修筑完成，路基的沉降量随着填土的增加逐渐增加，且初始沉降速率大于后期沉降速率。数值计算表明：该路面在竣工15 a后，路面表面中心与路肩两处的差异沉降量为2.2 cm，差异沉降量大于2.0 cm后将造成路面开裂，影响路用性能及行车安全，需对软土地基进行处理以防止后期的不均匀沉降。

(2) 采用粉喷桩增强软土地基后，软土地基的总体刚度得到了有效的增强，使得路基变形向地基深处传递，路基下方出现显著的“沉降盆”效应。

(3) 在软土地基中采用竖向粉喷桩进行地基加固后，路表面各点的沉降量显著降低，各点处的差异沉降量极小，几乎可忽略不计，表明增设粉喷桩群后，软土地基的强度与刚度得到了显著的提高，有效控制了路基的差异沉降。

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NumericalAnalysisofSettlementandTreatmentofSoftSoilSubgradeUnderHighway

ZHANG Haiming1,2

(1.ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China; 2.KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyandTransportationIndustryinLoessArea,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to provide a theoretical research method for the study of soft soil subgrade settlement of highway, the settlement and differential settlement of a new highway subgrade crossing a soft soil area are analyzed by using the ABAQUS finite element software based on the soil consolidation theory, and the engineering adopted in pile reinforcement of soft soil foundation treatment effect is checked. Numerical simulation results show that with the construction of embankment and pavement structure, the settlement of subgrade increases with the soil fill. And the initial settlement rate is greater than the latter settlement rate. 15 years after completion of the road, the differential settlement of the surface of the road reaches 2.2 cm, and the soft soil foundation should be treated to meet the late service performance of the road; In soft soil foundation with vertical pile foundation reinforcement, settlement of road surface points was significantly reduced, the difference of each point of the settlement is small, almost negligible, adding that pile group, the soft soil foundation stiffness and strength has been greatly improved, which effectively control the subgrade settlement difference.

highway;softsoilsubgrade;settlement;differentialsettlement;powderjetpile

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.042

2017-06-01

2017-07-25

章海明(1986—)，男，安徽铜陵枞阳人，工程师，主要从事公路桥梁工程的勘察设计工作。E-mail: 646461088@qq.com

U416.1

A

1672—1144(2017)06—0211—05