洪泽湖堤路结合工程差异沉降控制研究

谢雨廷，贾 璐，曾 鹏，陈中原

(1.南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210029；2.淮安市水利工程建设管理服务中心，江苏 淮安 223001；3 衡阳北控水资源管理有限公司，湖南 衡阳 421000)

当前国内外学者针对差异沉降控制开展了大量研究，但大部分研究仅进行数值模拟工作[1-13]，模型的合理性未得到有效验证，或仅开展原位观测试验，对工程现场监测结果进行分析[14]，将现场监测与数值模拟相结合的研究甚少[15]。此外，大多研究针对高速公路工程中的拓宽路基差异沉降问题[2-10，15]，针对堤防道路拓宽工程的研究相对较少[11-13]。在土工格栅数值模拟方面，目前存在筋-土相互作用特性模拟效果不佳等问题，左建忠等[16]提出PLAXIS与OPTUM两种有限元软件中土工格栅界面参数的等效转换方式，但未对筋-土相互作用下的沉降发展规律进行深入研究。为较好结合工程实际，有必要将数值模拟与现场试验相结合，对于堤防道路拓宽工程中的差异沉降问题开展系统研究。

本文以洪泽湖堤路结合工程为例，通过数值模拟加宽培厚堤防沉降发展规律提出差异沉降控制方案，结合现场监测数据验证数值模型的合理性，并根据数值计算结果指导后续施工安排。研究思路可为该地区类似堤路结合工程差异沉降控制提供参考。

1 工程概况

根据洪泽湖迎湖挡洪堤加固工程勘察资料，淮阴区某标段堤基下部分布着厚度>6.0 m的淤泥质软土层，新老堤结合处的差异沉降是潜在的岩土工程问题，因此选取该标段软土段作为典型堤段开展研究。该标段为迎水侧加高培厚堤段，设计堤顶标高为17 m，堤顶路面总宽10 m，路肩以1∶3坡度向两侧延伸，在迎水侧标高14 m处设置10 m宽防汛平台，防汛平台以1∶10坡度向湖区延伸，背水侧填塘固基，宽度20 m、高2 m，断面形态如图1所示。根据现场地勘资料，试验堤段土层分布及部分土性参数见表1。

图1 典型断面示意图(单位：m)

表1 典型断面土层分布情况

2 数值模拟与加固方案设计

2.1 数值模拟工况划分

根据典型断面施工填筑方案与地勘资料，典型断面②3层淤泥质软土性质较差，为不均匀沉降的重点研究对象，因此分别对三种工况开展数值计算分析，如表2所示。

表2 数值模拟工况划分

2.2 模型设置

根据设计资料建立有限元数值模型，加培土与地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，土工格栅结构采用Geogrid材料弹性模型，格栅铺设宽度为10 m，极限抗拉强度为100 kN/m，格栅上下两侧单独设置界面材料以模拟筋—土之间的应力传递，为界面与相邻土体定义一个折减因子Ri，界面的部分参数定义如式(1)～式(4)：

ci=Ric0

(1)

φi=Ritanφ0

(2)

Ei=2Gi(1+2vi)

(3)

Eoed，i=2Gi(1-vi)/(1-2vi)

(4)

式中：ci为对应界面的黏聚力，kPa；Ri为折减因子，取0.7；c0为与格栅相邻土体的黏聚力，kPa；φi为对应界面的内摩擦角，(°)；φ0为与格栅相邻土体的内摩擦角，(°)；Ei为对应界面的弹性模量，MPa；Eoed，i为压缩模量，MPa；Gi为界面的剪切模量，MPa；vi为界面泊松比为，取0.45。

假设路堤堆载期为180 d，共分为5级加载，每级厚度1 m，加载完成后60 d进行路面铺筑，施工期为30 d，路面铺筑完毕60 d后通车，交通荷载等效简化为16 kPa均布荷载。根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)，本工程沥青混凝土路面使用设计年限10 a，工后沉降计算为自沥青路面施工结束起10 a，因此沉降发展计算时间为3920 d。为尽量减小网格分布密度导致的计算误差，模型采用15节点三角形单元，土工格栅采用5节点单元，并适当加密附近网格。为对比不同工况的新老堤差异沉降，选取新堤中心、迎水面路肩下原地表位置作为特征点，填筑过程如图2所示，以工况2为例，网格划分如图3所示。

图2 新堤填筑过程

图3 网格单元划分

2.3 数值模拟结果分析

图4为三种工况下最终沉降云图，工况1与工况2最大总沉降分别为423.4 mm和416.9 mm，均位于新堤表面距迎水侧路肩3.6 m处。工况3最大沉降位置向路中心移动，最大总沉降值为353.1 mm，相比于工况1减小70.3 mm。图5为三种工况下特征点位置的沉降发展过程，工况1堤中心与迎水面最终沉降分别为380.8 mm和330.0 mm；工况3堤中心与迎水面最终沉降分别为329.0 mm和271.4 mm，相比于工况1分别缩减了51.8 mm和58.6 mm；而工况2堤中心与迎水面最终沉降分别为369.7 mm和328.4 mm，相比于工况1沉降仅减小11.1 mm和1.6 mm，量值较小。结合以上数值计算结果分析可知，经浅层换填处理后地基压缩特性发生变化，因此堤顶总沉降明显减小。土工格栅加筋工况下地基压缩特性未改变，仅改变附加应力分布，因此在本工况下土工格栅加筋对特征点处的总沉降控制影响较小。

图4 最终沉降云图

图5 沉降数值计算结果

取老堤表面迎水侧坡面为新老堤结合面，研究结合面沉降规律与土工格栅的作用特性，计算结果如图6所示。结果显示，工况2铺设土工格栅的位置沉降减小较明显，这是由于格栅具有较高的抗拉强度和张拉模量，能将荷载和应力较均匀地扩散到较大的面积范围内，而位于下部的土工格栅承担的加培土自重应力最大，因此协调变形作用最为明显，对于工况3，由于换填处理后堤身整体沉降显著减小，结合面沉降随之减小。

图6 新老堤结合面沉降

为研究沉降变形对工程建设通车后的影响，因此重点关注工后沉降的发展规律与工后差异沉降。路面结构层铺设完成后堤中心和迎水面工后沉降如表3所示，工后差异沉降分别为45.8 mm、38.5 mm和25.5 mm，浅层换填处理和土工格栅加筋后的工后差异沉降相比于天然堆载分别可减小20.3 mm和7.3 mm，两种措施均能控制新老堤之间的工后差异沉降，在本工程中浅层换填处理的控制效果更明显。

表3 工后沉降数值计算结果 mm

数值计算结果表明，土工格栅加筋处理通过改变地基附加应力状态协调新老堤变形，不能减小加培堤最大总沉降，仅能一定程度上控制新老堤工后差异沉降，而浅层换填处理改变了地基的压缩特性，该措施不仅能有效控制加培堤整体沉降水平，同时能较明显地减小新老堤工后差异沉降，优于台阶加筋措施。

2.4 差异沉降控制方案设计

根据数值模拟结果，在本工程三种工况下工后沉降均可满足规范要求，结合本工程实际情况，应用以上两种差异沉降控制方案对该堤段软土段进行处理：

(1)土工格栅加筋。加培堤填筑至13 m高程时，对试验段沿堤防纵向50 m范围内的现状堤防进行台阶开挖，台阶宽度1 m，高0.3 m，在相隔两个台阶平面铺设三向土工格栅，即两层土工格栅相隔0.6 m左右，共铺设5层，对应工况2。

(2)浅层换填。对试验段新堤以下深度3 m的软土层进行清除，选用填筑土料分层回填至地表，振动压实，对应工况3。

3 原型试验及沉降监测分析

3.1 监测安排

根据前文提出的差异沉降控制方案，分别选取典型堤段的K1+000、K1+500和K1+600断面作为试验断面，其中K1+000和K1+600断面分别采取浅层换填和土工格栅加筋处理，K1+500断面不采取任何加固措施，并分别在试验断面的新堤中心和迎水侧路肩位置开展表面沉降监测工作。监测自填筑前50 d开始，至填筑完成后20 d，总历时270 d。图7为监测历时内试验断面堤中心和迎水面沉降随填筑高程的变化情况，填筑期内试验断面最大沉降速率分别为2.1 mm/d、2.3 mm/d、1.4 mm/d，均未超过10.0 mm/d的监测预警值，其中在填筑期间，沉降速率逐渐增大，达到恒载后沉降发展稳定，曲线趋于平缓。

图7 地表沉降随填筑变化

3.2 模型合理性验证

选取填筑期间监测数据与数值计算结果进行对比，如图8～图10所示，K1+600断面实测沉降小于K1+000和K1+500断面，且小于数值计算结果，分析其原因可能是实际堤防纵向土层分布的不均匀性等复杂因素，使该断面的数值模型难以准确反映实际沉降水平，而其余两个断面实测与数值计算结果规律一致，沉降曲线大致吻合，量值偏差较小，数值计算结果整体上能较好地反映实际土体的变形规律，具有良好的合理性。

图8 K1+500断面数值模拟与实测对比

图9 K1+600断面数值模拟与实测对比

图10 K1+000断面数值模拟与实测对比

3.3 后期进度分析

填筑完成后实测沉降趋于平缓，通过数值模拟对本堤段后续施工进度节点提供建议，选取路面结构层施工完毕后60 d开放交通，此时剩余沉降和差异沉降如表4所示，剩余沉降均<100 mm，差异沉降<45 mm，路面变形可控制在较低水平，该进度安排基于数值模型计算结果提出，通过前期实测数据验证了数值模型的合理性，且较好地结合了本工程的实际情况，具有良好的现实意义。

表4 通车后剩余沉降与差异沉降 mm

4 结 论

(1)根据数值计算结果，土工格栅加筋处理对堤身总沉降几乎没有影响，但土工格栅可以改变地基的附加应力分布，协调新老堤差异变形，且位于下部的土工格栅作用效果较为明显；浅层换填处理后地基压缩特性改变，沉降明显减小，浅层换填工况工后差异沉降缩减至25.5 mm，小于天然堆载工况的45.8 mm和土工格栅加筋工况的38.5 mm，土工格栅加筋对新老堤工后差异沉降的控制作用弱于浅层换填处理。

(2)对典型堤段提出两种差异沉降控制方案，对采取不同方案的断面开展现场监测工作，实测数据沉降发展规律与数值计算结果整体吻合程度较好，数值模型较好地反映了实际土体的变形规律，具有良好的合理性。选取填筑完成后60 d进行路面结构层铺设工作，路面结构层施工完毕后60 d通车，后期剩余差异沉降可控制在45 mm以内，路面平整度较高，行车舒适性较好。

(3)本文采用有限元模拟方法和现场原型试验相结合的方法，有效地模拟了土工格栅处理的加筋效果，结合现场试验监测数据，验证了本文提出的堤防加固工程差异沉降控制效果。研究成果可为后续类似地质条件下的堤路结合工程差异沉降控制提供技术支撑和设计指导。