舊路加寬差異沉降影響因素的仿真研究

劉小飛

高速公路改擴建工程最大的技術難題是解決新舊路基不均勻沉降問題。原有的路基經過多年行車荷載作用和自然沉降等因素已趨于穩定，沉降量已很小，而新路基成型后必然要經歷一個沉降過程，這將會造成新舊路基的不均勻沉降。這樣，加寬完成后整個路基存在著沉降量不均衡的問題。如果處理不當，將會給新加寬道路留下隱患，反映在路面上就是將在新舊路基結合部位產生縱向裂縫。但其根源在于加寬后新舊路基沉降量不同，這種病害會在外界因素(例如行車荷載、凍脹、雨雪侵蝕等)作用下進一步發展，以致影響到公路的正常使用。

目前我國公路部門對高速公路改擴建工程的研究還不夠，從設計到施工還沒有成熟的經驗可循。在舊路加寬的相關技術規范中，僅對新舊路堤路面交界部分的連接提出了一些具體的設計要求和施工要點，并未涉及公路拓寬時普遍存在的差異沉降。因此，開展對高速公路舊路加寬差異沉降影響因素的研究具有十分重要的工程意義。

1 舊路加寬差異沉降成因分析

地基土體在上部結構荷載作用下產生應力和應變，其中豎直方向的變形即為沉降。土體的沉降變形同土體的壓縮性能是密切相關的。一般天然土是三相體，它們受力變形，實際是土顆粒壓縮，土孔隙中水和氣的排出，土體積減小的過程。

公路路基沉降主要由兩部分組成，即地基在路基自重作用下的固結壓縮變形以及路基本身的固結壓縮變形。由于路基是分層施工的，根據應力擴散原理，路基土承受壓路機的輪壓作用最明顯，可以認為已經得到很大程度的壓實，而地基的壓實效果不明顯。路基的工后沉降量主要是由地基土的沉降固結引起，但也不能排除路基本身的次固結變形，即土體骨架發生粘滯蠕變所致。從差異沉降的成因分析可知，新舊路基的差異變形主要由三個部分組成:第一部分是由于地基在新路堤荷載作用下發生的固結變形;第二部分是新路堤在自身荷載作用下發生的壓縮變形;第三部分是新路堤在行車荷載作用下發生的累計塑性變形。

2 數值分析模型的建立和材料參數的確定

2.1 模型的建立

本文依托工程原為雙向四車道高速公路，路基頂面寬度為26.0m，邊坡坡度為1:1.5，采用雙側拓寬方式，每一側拓寬寬度分別為8.0m。現選取某一處路堤為模型，該處路堤填高4m，邊坡坡度依然為1:1.5。其幾何模型和網格劃分分別見圖1，圖2。

2.2 材料參數的確定

基于室內試驗成果，沿線某處新舊路基材料參數見表1。

表1 新舊路基材料參數

3 舊路加寬差異沉降影響因素分析

3.1 不同拓寬方式對差異沉降的影響

目前高等級公路加寬工程中常見的加寬方式主要是單側加寬和雙側加寬，為分析不同加寬方式下新舊路基的變形性狀，對雙向兩車道的舊路基，在總加寬寬度相同的基礎上，分別對單側加寬和雙側加寬的加寬方式進行計算比較分析，加寬寬度均為四車道，單側加寬時加寬寬度為16m，兩側加寬時則每側加寬寬度為8m。兩種不同加寬方式下路基沉降曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在總寬度相同的情況下，單側加寬和雙側加寬路基表面的最大沉降分別為14.14cm和7.77cm，從路基頂面沉降變形曲線形態和沉降數據來看，雙側加寬較單側加寬變形值小，且更為平緩，尤其是舊路頂面在對稱加載的情況下，幾乎是整體下沉，差異沉降非常小。因此，在相同的加寬寬度下，雙側加寬無論在路基絕對沉降、新舊路基差異沉降均較單側加寬具有明顯優勢，其原因是雙側對稱加載比單側加載對舊路基產生的附加沉降，僅從受力和變形性狀角度分析，采用雙側加寬比單側加寬更為有利。

3.2 加寬路堤高度的影響分析

由于公路擴建工程受地形高低變化的影響，不同斷面會出現不同的填挖高度，不同高度的路堤在重力荷載的作用下，產生的變形是不同的。因此，路堤高度是影響路堤及地基變形的最直接的因素。

在計算中以半幅路基為研究對象，半幅舊路基寬13 m，新路基拓寬寬度選為8 m，即雙向四車道拓寬為雙向八車道，路基填土高度分別選取2 m，4 m，6 m，8 m。計算結果見圖4～圖6。

從圖4，圖5可以看出，路基填土高度越高，拓寬路基不均勻沉降越大，舊路中心的附加沉降越大。當填土高度為2 m時，最大差異沉降只有2.53cm;而當路基填土高度增加到4 m時，最大差異沉降為5.16cm;當路基填土高度增加到6m時，最大差異沉降為7.28cm;當路基填土高度增加到8 m時，最大差異沉降為9.24cm。同時還可以看出，路基填土高度越小，拓寬路基頂面沉降曲線越接近“～”形。這是因為，填土高度越小，新路基對舊路基的影響越小，舊路基的附加沉降越小，故沉降曲線前段越平緩;而因為填土高度小，舊路基對新路基的沉降影響作用也較小，舊路基坡腳線與新路基路肩間有相當的距離。沉降曲線受舊路基邊坡影響發生漸變的效果不明顯，使得沉降曲線后段也比較緩和。

由圖6可以看出，當填土高度為2 m時，舊路基坡腳處水平位移只有向內0.21cm，新路基坡腳處水平位移為向外0.39cm。而路基填土高度為4 m，6 m，8 m時，舊路基坡腳處水平位移分別為向內 0.32cm，0.51cm，0.57cm，分別增加了 52%，142%，171%;新路基坡腳處水平位移分別向外 0.94cm，1.29cm，1.57cm，分別增加了141%，230%，302%。即路基填土高度越高，拓寬路基水平位移越大，舊路基坡腳處水平位移向內移動，而新加寬部分向外移動，增加了新舊路基結合部滑動的可能。

綜上所述，差異沉降和表面水平位移隨著路基高度的增加而增加，且路基高度越小，拓寬路基頂面沉降曲線越接近“～”形。因此，在滿足路基最小填土高度情況下，控制路基高度可以有效減小差異沉降。

4 結語

結合實體工程，在分析舊路加寬差異沉降成因的基礎上，利用室內試驗成果和數值模擬，對影響舊路加寬沉降的因素進行分析，可以得出以下結論:

1)在相同的加寬寬度下，兩側加寬在新舊路基差異沉降上較單側加寬具有明顯優勢。如果條件許可，采用兩側加寬比單側加寬更為有利。但從施工便利、占用土地和工程造價等方面出發，單側加寬比雙側加寬有利，雙車道公路擴建成高速公路的項目尤為明顯。采用何種加寬方式，應在詳細的經濟、技術比較的基礎上確定。

2)在兩側加寬方式下路堤高度不同時，差異沉降隨著路基高度的減小而減小，且路基高度越小，拓寬路基頂面沉降曲線越接近“～”形。因此，在滿足路基最小填土高度情況下，控制路基高度可以有效減小差異沉降。

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