堤路改造工程差異沉降控制技術實施效果研究

李 吉，謝雨廷，曾 鵬，朱 明，程 攀

(1. 南京市江北新區公共工程建設中心，江蘇 南京 211500； 2. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 3. 衡陽北控水資源管理有限公司，湖南 衡陽 421200； 4. 江蘇中禹水利建設有限公司，江蘇 淮安 223001)

長江沿線城市濱水道路集防洪、交通、岸線景觀等功能為一體，具有重要的自然生態功能和社會服務功能，是提升城市整體防洪能力、維護城市生態系統安全、彰顯濱江城市特色的強有力支撐，具有顯著的綜合效益。由于堤路改造工程新舊堤防存在土性參數的差異性和幾何形態變異性，因此在建設過程中面臨差異沉降控制與滲透變形破壞防控等諸多難題。目前已有許多學者開展了相關研究：汪小茂等[1]對采用堤路結合形式修建的武漢市濱江大道進行研究，提出了堤路結合工程在布置形式、銜接處理及壓實度標準等關鍵問題的工程設計建議；胡曉紅等[2]對堤路結合的路基差異沉降控制技術進行研究，提出堤防道路改造全要素理念，并成功應用于武漢市漢口至陽邏江北快速路、長江主軸右岸大道等堤防道路，為堤防道路的設計提供借鑒；占鑫杰等[3]以南京市某堤防拓寬工程為例，建立數值計算模型研究了新老堤相互作用，并提出開挖臺階結合土工格柵的施工工藝，以減小堤身的變形和差異沉降；李昂等[4]結合長江干堤防洪能力提升工程，提出利用開挖臺階聯合土工格柵的方式對結合面進行加固。

南京江北新區堤路改造工程沿線地基土地質條件較差，場地沿線廣泛分布著軟土（主要為淤泥質土）層，新舊堤防下部軟土地基固結程度的不同也容易產生差異沉降，過大的差異沉降常會導致堤防結合部產生裂縫，進而影響堤防的長期穩定。目前，國內外已有軟土路基差異沉降控制的相關研究：章海明[5]基于土體固結理論，運用有限元方法對高速公路軟土路基差異沉降進行分析，驗證采用粉噴樁加固軟土地基的處治效果；趙明華等[6]對濱海道路軟土路基特性進行相關研究，提出沉降預測模型；Yu 等[7]認為路面裂縫的產生主要由路基處理不當導致，通過數值計算證明可以使用輕質填充材料減小路堤沉降；宋書昌[8]通過一維和三維蠕變試驗，揭示了沿海公路軟土路基長期沉降機理；Hao 等[9]通過對岸坡穩定性的數值模擬研究，驗證了新老堤的滲透系數比對新堤壩邊坡穩定性影響顯著；張軍輝[10]運用有限元方法，對不同施工方法下軟土地區新老堤的沉降進行數值模擬，得出新路基優先采用復合地基處理方法可降低對施工期老堤的擾動，并減小新老堤的工后沉降。雖然國內外學者對新老堤的差異沉降問題展開了大量研究，但缺乏對差異沉降的控制效果進行綜合評價研究。

實際工程通常會結合現場監測數據對地基的沉降發展進行預測，從而驗證和評估沉降控制效果。雙曲線法根據實測數據進行擬合預測，并假定沉降曲線按沉降平均速度呈雙曲線遞減的規律變化，是當前應用較廣的一種經驗方法。有學者[11-12]利用雙曲線法分別對采用深層水泥攪拌(deep cement mixing, DCM)樁的軟土路基和鋪設土工格柵的黃土路基沉降進行預測，根據擬合優度驗證了雙曲線法在不同處理方式下路基沉降預測的應用可行性。本文結合南京江北新區堤防加寬道路改造工程，采用數值模擬和現場試驗相結合的方式，提出堤路改造工程中軟土路基的處理方案，并結合雙曲線法分析評價設計方案的差異沉降控制效果。

1 江北新區堤防加寬道路改造工程概況

南京江北新區堤防加寬道路改造工程上起南京長江三橋、下至浦儀公路，場地沿線廣泛分布著軟土地基，其中主要為兩類軟土軟土[13]：①-3 層淤泥和②-2 層淤泥質粉質黏土?，F狀堤防經多年運行，下覆軟土地基的固結沉降已基本完成，新建路堤在上覆堤身荷載作用下，易在新老堤結合處產生差異沉降，如不采取相應的加固處理措施，容易造成堤防道路拉裂破壞。根據《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013），路基容許工后沉降值如下：（1）橋臺與路堤相鄰處≤10 cm；（2）涵洞、箱涵、通道處≤20 cm；（3）一般路段≤30 cm。根據該地軟土地基特點，結合工程實際，需從穩定和沉降兩個方面分析，確保路基穩定的同時控制工后沉降，通過對沉降的分析計算，擬定需要處理的軟基路段，選取安全經濟的措施進行處理。

2 數值建模及差異沉降控制方案設計

2.1 數值模型方案及參數

根據堤路工程設計方案與工程地勘資料，選取填筑高度較高的K0+500 斷面進行數值模擬分析，該斷面屬于典型的新路-舊堤結合斷面，針對3 種處理方案開展計算分析，具體見表1。數值模擬計算參考汪璋淳等[14]的有限元建模方案，地基土、新路堤填土、褥墊層及DCM 樁使用摩爾庫倫彈塑性本構模型，路面結構層與土工加筋使用彈性本構模型，主要材料的物理力學參數見表2。

表1 3 種處理方案下的數值模型對比Tab. 1 Comparison of numerical models under three schemes

表2 數值模型參數Tab. 2 Parameters of numerical models

2.2 平面應變模型等效

本文通過建立二維平面應變模型對不同方案進行分析對比，其中在DCM 樁數值模型建立中需要對水泥土樁進行平面應變等效處理。水泥土樁復合地基屬于柔性樁復合地基，按照《復合地基技術規范》（GB/T 50783—2012），參考汪璋淳等[14]的建模方案，將正三角形布置的深層水泥攪拌樁轉化為平面應變樁墻，不改變樁間距及樁徑，按照復合模量等效的思路進行轉換可得：

式中：Ep3、Ep2分別為三維工況和平面應變等效工況下樁的彈性模量；m3、m2分別為三維工況和平面應變等效工況下樁的面積置換率；Es為多層土的復合彈性模量。取路中心斷面為計算斷面，Es 按照如下厚度加權公式進行計算：

式中：n為土層數；hs為樁長；hi、Ei分別為樁長范圍內各層土的厚度及彈性模量。實際三維情況的深層水泥攪拌樁，其樁身28 d 無側限抗壓強度不小于1.0 MPa，壓縮模量可取樁體水泥土強度的100~200 倍（取180 MPa），泊松比取0.25，換算后彈性模量為Ep3=150 MPa，置換率m3=14.5%。對于二維平面應變情況，m2=0.6/1.5=40%。根據以上參數，求得Ep2= 56 MPa。

2.3 荷載、特征點、填筑設置

在數值模型的填筑過程模擬中，假設路堤填筑施工期為3 個月，共分5 層填筑，如圖1 所示，工后沉降基準期假設為10 年。為了對比不同處理方式下的差異沉降控制效果，選取5 個特征點進行分析，分別為老堤防臨水側坡腳、防浪墻墻腳、老堤防背水側路肩、新堤防右路肩之下原地表、新堤防路中之下原地表，以DCM 模型為例，5 個特征點分別對應圖2 中的A~E。

圖1 路堤分層填筑過程Fig. 1 Diagram of the layered filling process of the embankment

圖2 數值模擬特征點與DCM 方案網格劃分Fig. 2 Feature points of numerical simulation and DCM condition meshing

2.4 數值模擬沉降分析

圖3 為新填筑道路中心位置（圖2 中E點）及右路肩位置（圖2 中D點）的沉降發展曲線，天然堆載與臺階加筋在兩個位置的沉降曲線基本重合，最終沉降分別為715 和623 mm，采用DCM 軟土地基處理技術，路中與右路肩位置沉降分別縮減為229 和183 mm。分析圖3 中路中斷面原地表的工后沉降，天然堆載、臺階加筋和DCM 處理3 種地基處理方案的工后沉降分別為305、305 和88 mm。根據數值計算結果，天然堆載、臺階加筋均不能滿足一般路段工后沉降小于300 mm 的要求，而DCM 處理方案在控制地基沉降方面具有顯著作用，其工后沉降可以滿足規范要求。

圖3 路面范圍下原地表沉降對比Fig. 3 Comparison of in-situ surface settlements under the pavement range

圖4 為路面范圍內工后沉降分布結果，其中天然堆載方案路面最大工后沉降為305 mm，路中與路肩工后差異沉降值為59 mm；臺階加筋方案路面最大工后沉降及路中與路肩工后差異沉降值分別為305 和57 mm，且這兩種方案的沉降曲線基本重合；DCM 處理方案的路面最大工后沉降為88 mm，路中與路肩工后差異沉降值為15 mm。從數值計算結果可以看出臺階加筋處理方法對降低路面差異沉降的作用微弱，而DCM 設計方案不僅可以顯著減小地基總體沉降變形量，還可以大幅縮減路面工后沉降及差異沉降。

圖4 斷面工后沉降分布Fig. 4 Distribution of post-construction settlement in the cross section

圖5 為3 種工況下最終沉降云圖，臺階加筋與天然堆載工況最終沉降分別為820 和827 mm，最大沉降區均位于路面寬度之下的原地表位置。DCM 處理工況路面之下原地表沉降量大幅縮減，對應圖2 的D、E點沉降分別為183 和229 mm，最大沉降區位于左側遠離路面的未進行地基處理的場平堆載區，沉降極值為706 mm。

圖5 3 種工況下最終沉降云圖Fig. 5 Final settlement nephogram for three working conditions

2.5 數值模擬水平位移分析

圖6 為3 種工況下最終水平位移云圖。天然堆載工況下，地基最大水平位移為440 mm，發生在新舊結合面之下的②-2 軟土層中，距離填筑后地表約10.4 m，臺階加筋工況與天然堆載工況的地基水平位移基本一致；DCM 處理工況的新舊堤結合面以下地基最大水平位移為110 mm，位于②-2 軟土層頂面處，地基最大水平位移轉移至道路左側場平區之下的軟土層中，為195 mm，距離地表約12.6 m。計算結果表明，DCM 復合地基處理同時也能顯著縮小軟基的水平位移。

2.6 差異沉降控制設計方案

根據數值計算結果，在滿足防汛和交通要求條件下，為解決新老路堤的差異沉降及其后續變形問題，擬采用上部結合面處置協同下部地基的聯合處理技術對南京江北新區堤路改造工程進行加固處理。根據本工程特點，下部軟土地基的處理方案為：對于淺表層軟土，道路布置范圍內進行清除換填；對于深層軟土，由于堤路結合對堤身防滲要求較高，施工時需盡量避免對原狀土擾動，地基處理采用雙向深層水泥攪拌樁法，樁徑60 cm，樁間距1.5 m，樁長10~19 m，按正三角形布置。在堤身結合面的處置方面，擬采用“土工格柵+錐探灌漿”的處理方案：通過在淺層換填處理與深層攪拌樁處理交接處埋設三向土工格柵，路堤填筑沉降完成后，對老堤防一級平臺至堤腳部分灌注黏土漿液（圖7）。為進一步保證新老路基拼接的整體性，結合部采用臺階式的銜接方式。對本路堤結合段地面橫坡陡于1∶5 的路段設計選用開挖臺階處理，沿老路坡面開挖臺階，臺階型式采用內傾式，如圖8 所示。該方案基于數值計算的分析結果，并借鑒了國內外的新舊路堤處理經驗[15]，較好結合了本工程實際情況。

圖7 新老路堤結合面處理方案Fig. 7 Treatment scheme of the joint surface of the old and new embankments

圖8 內傾式臺階Fig. 8 Inverted steps

3 堤路改造工程實施效果評價

為了驗證和評估上述差異沉降控制的應用效果，在南京江北新區堤路改造工程建設中選取K0+500 斷面為試驗監測斷面，開展孔隙水壓力、表面沉降和深層水平位移等監測工作，通過分析對比數值模擬和試驗監測數據對堤路改造工程的實施效果進行驗證評價，其中剖面布置如圖9 所示。

圖9 監測儀器布置Fig. 9 Monitoring instrument layout

3.1 孔壓監測成果分析

圖10 為3 種不同技術方案超靜孔隙水壓力的數值模擬計算結果，其中臺階加筋方案與天然堆載方案曲線基本重合，且整體高于DCM 處理方案，最后一次填土完成時刻超靜孔壓達到峰值，達到35.4 kPa，DCM 處理方案的峰值超靜孔壓為20.9 kPa，峰值超靜孔壓與路堤荷載之比分別為0.34、0.20。超靜孔壓的數值計算結果表明，DCM 復合地基對上覆填土荷載進行了應力重分布，改變了荷載的傳遞，降低了新路堤填筑后主要軟土層產生的超靜孔壓水平。

圖10 軟土層中心位置孔壓變化Fig. 10 Change of pore pressure at the center position of soft soil layer

圖11 為超靜孔隙水壓力監測數據與數值計算的對比，在路堤填筑過程期間（0~90 d），測得地基主要軟土層中部超靜孔隙水壓力消散規律與數值模擬結果基本一致，路面施工完成時（220 d）測得超靜孔壓約為5.0 kPa，超靜孔隙水壓力大部分消散完成，在上覆堆載作用下地基主要軟土層的壓縮變形大部分已完成，上覆堆載產生的附加應力大部分轉換成土體的有效應力，土體處于穩定狀態。

圖11 孔壓數值計算與監測數據對比Fig. 11 Comparison of hole pressure numerical calculation and monitoring data

3.2 沉降分析及工后沉降預測

K0+500 斷面實測沉降如圖12 所示，路堤填筑期間斷面沉降速率為0~5 mm/d，未超過10 mm/d 的監測預警值。在路堤填筑期間（0~90 d），隨著荷載增加，沉降值逐漸增大，路中、右路肩和左路肩在填筑期產生的沉降分別為107、91 和101 mm。填筑結束后，地基在恒定荷載作用下沉降發展穩定。3 個位置（路中、右路肩和左路肩）在路面施工完成后（220 d）的沉降分別為139、128 和132 mm。為進一步分析工后沉降的發展，選取現有研究常用的雙曲線法對工后沉降進行預測，計算公式如下：

圖12 地表沉降監測成果Fig. 12 Surface subsidence monitoring results

式中：t為滿載預壓時間；t0為到達滿載的時間；St為滿載t時間的實測沉降量；S0為滿載開始時的實測沉降量；α和β為計算參數，可根據實測資料確定。最終沉降量為：S∞=S0+1/β。

圖13 對比了K0+500 斷面路中（S12）和右路肩（S11）的實測結果、數值計算結果和基于實測沉降數據的雙曲線法預測結果，其中雙曲線法與實測數據吻合較好，擬合優度R2均大于0.97（圖14），驗證了雙曲線法在該加固措施下沉降預測適用性。根據沉降實測資料預測的路中和右路肩最終沉降量分別為155 和147 mm，剩余沉降分別為16 和20 mm，工后沉降較小。根據實測數據分析，工程結束前的沉降接近總沉降的90%，與超靜孔隙水壓力消散的監測數據基本對應?；趯崪y沉降采用雙曲線法預測的運行期路中與右路肩位置的差異沉降始終保持在4 mm 以下，遠遠小于規范要求的差異沉降臨界值，驗證了本工程采用的DCM 處理技術對差異沉降控制的有效性。

圖13 地表沉降模擬與監測結果對比Fig. 13 Comparison of surface subsidence simulation and monitoring results

圖14 (t?t0)/(St?S0)與t?t0 關系曲線Fig. 14 Curve of (t?t0)/(St?S0) and t?t0

3.3 水平位移對比分析

圖15 為施工完成后水平位移監測數據與數值模擬DCM 方案下的最終水平位移對比。填筑完成后，水平位移監測數據相差較小，最大偏差僅為1.5 mm 左右，這說明本工程采用的加固處理技術同時對水平位移具有較好控制效果。此外，實測水平位移自地表向地下分布規律與數值模擬結果接近，且最大水平位移發生的位置均在深度為4 m 左右的軟土層中，實測最大水平位移為13.05 mm，小于數值模擬結果的65.89 mm，這表明該工法在實際應用中對于土體的變形控制效果更好。

圖15 水平位移數值計算與監測數據對比Fig. 15 Comparison of horizontal displacement numerical calculation and monitoring data

結合沉降對比分析可知，目前的數值模擬存在一定的局限性，主要是文中采用的計算模型難以合理考慮土工格柵與土體的相互作用及對下部地基產生的應力重分布作用，無法體現土工格柵對地基側向變形的限制作用，導致數值計算的水平位移大于實際監測值。在后續的研究工作中可進一步研究土工格柵與土體的相互作用機理，構建相應的力學模型從而為加寬培厚堤中采用土工格柵控制差異沉降與側向變形提供理論支撐。

4 結 語

本文結合南京江北新區堤路改造工程，通過對3 種不同加固措施的沉降進行數值計算，選取合適的工法對軟土地基進行處理，結合現場監測和雙曲線法分析評價設計方案的差異沉降控制效果，得出結論如下：

（1）根據數值計算結果，DCM 工況下路中與路肩差異沉降僅為15 mm，遠小于天然堆載的59 mm 和臺階加筋的57 mm，說明了DCM 處理對工后沉降和差異沉降控制的有效性，可為堤路改造工程的差異沉降設計提供參考。

（2）根據現場試驗斷面監測結果，并結合雙曲線法分析表明試驗斷面路中與右路肩位置的差異沉降控制在4 mm 以內，進一步驗證了上部結合面處置聯合下部地基處理在新舊路堤協調變形控制的可行性和有效性，可為后續濱江道路堤防拓寬改造工程的差異沉降問題提供借鑒，具有良好的工程應用價值。