拓寬路基差異沉降監測及數值分析

張軍輝，吳厚銘，周平

(1. 長沙理工大學 公路養護技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410114；2. 云南省建設投資控股集團有限公司，云南 昆明 650501)

近年來，中國建成運營的高速公路已不能滿足當前社會發展所需的交通量[1]。車流量和行車荷載急劇增加，局部地區擁堵、超載現象嚴重，道路病害日益劇增，嚴重地影響和危害著道路的交通安全。一些高速公路的改、擴建已成為當前緩解交通擁堵的迫切需求。高速公路改、擴建是一項復雜的工程。為了防止拓寬路基在填筑過程中產生過大的不均勻沉降，必須采取有效措施提高路基的強度和穩定性。找出適宜的測試沉降的方法，控制填筑過程中路基的差異沉降，對道路施工和后期維護具有重要意義。

路基改、擴建中，地基的基本特性直接影響到拓寬路基的沉降，影響到施工的進度和穩定性。國內、外學者對此展開了相關研究。夏英志[2]等人采用有限元軟件，對高填方路堤差異沉降特性進行了研究。李洪峰[3-4]等人針對軟土地基處置措施與地基沉降預測模型分析進行了研究。張軍輝[5-6]等人采用有限元模擬的方法，分析了拓寬改建而成的路基變形演變規律。左文榮[7]等人通過有限元計算了拓寬軟土路基的沉降變形，并與實測值進行了對比研究。傅珍[8]等人利用離心模型試驗，研究了拓寬高速公路老路基固結沉降和新老路基拼接后表面沉降的變化規律。賈亮[9]等人通過工后沉降的方法，對高填方路堤進行了現場監測，研究了路堤豎向位移與時間的相關性。范紅英[10]等人研究了非均勻沉降變形的影響因素與施工技術。葛苗苗[11]等人采用數值分析與工后沉降結合的方法進行了反演預測。Zhang[12]等人通過離心機模型試驗和使用ABAQUS數值分析的方法，模擬新路基的差異沉降。劉金龍[13]等人基于非線性有限元方法，對擴建工程的基本特征進行了探究。這些研究成果大多是運用不同方法和手段，研究了不同類型典型斷面的沉降，但多數是采用數值模擬或者是實測等單一的方式對路基沉降進行了研究，而綜合考慮數值模擬和實測的研究較少。因此，作者擬通過現場實測結合數值模擬計算來研究新、老路基的差異性沉降規律，并依托蓮株公路改、擴建工程進行研究，以期為類似高速公路拓寬路基的沉降控制提供借鑒。

1 拓寬路堤沉降現場測試

1.1 工程概況

蓮株公路改、擴建工程始于湘贛省界蓮花沖，終于株洲市紅旗立交橋東，連接蓮易公路株洲至易家灣段，全長 50.384 km。采用“單側整體拓寬為主，局部分離”的方式進行雙向四車道改、擴建路基。K1100+360 是(K1093+829～K1111+907)高填方典型斷面，該段舊路寬12 m，已運營了20多年，路基路用狀況較差。采用右幅單側拓寬，拓寬寬度為9.5 m，路基填高9.6 m。填料采用水泥改良土，層鋪橫向未鋪設土工隔柵，邊坡坡比為1:1.5。采用橫剖管綜合測試技術，對斷面進行了沉降監測。

1.2 沉降監測點位的布設

1) 觀測點位的布設

橫剖管變形觀測點位設置在新路堤的底部，采用型號為 ZMZX-7030的綜合測試儀(量程為 650～3 000 Hz，精度為0.01% FS)進行檢測，對2次檢測得出的數據進行了比較，求得其沉降差，觀測點埋設位置如圖1所示。

2) 沉降監測點的設置及埋設

采用剖面沉降觀測的方法，對斷面K1100+360進行了長期沉降監測。該方法是指將剖面沉降儀通過塑料管綁定后插入埋設在路堤底部的橫剖管中進行的測量方法。

圖1 觀測點埋設位置示意Fig. 1 The buried point of the observation points

3) 監測頻率

監測頻率取決于路基的沉降速率，如：在拓寬期間，沉降變形速率較大，則監測頻率需要較高。通常每填筑2～3層或5～10 d監測一次。預壓初期(1～2個月)平均每月監測 3～4次，后期沉降趨于緩和，可調整為平均每月監測一次。若上、下層施工間歇較長，則可適當提高監測頻率。

4) 動態控制標準

根據《公路路基設計規范(JTG D30-2015)》和《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則(JTGT D31-02-2013)》，在路基拓寬施工期采用動態控制標準。即：在路基填筑施工期，沉降位移速率小于5 mm/d，水平位移速率小于3 mm/d。

1.3 現場監測結果分析

1) 不同填筑高度與沉降變形分析

K1100+360斷面處為挖2層面板鋪筑新路面，不同填高度路堤的累積沉降量如圖2所示。

從圖2中可以看出，填土高度與累計沉降量呈正相關性。即：填高越高，沉降越顯著，但填高與沉降量并非線性關系。隨著填高繼續增加至填筑完成，沉降量逐漸減小且趨于穩定。從圖2中還可以看出，管終端為路基沉降量的最大點，也就是沉降量的最大值發生在靠近老路基邊緣即橫剖管頂端處。

圖2 K1100+360斷面不同填土高度路堤的累計沉降量Fig. 3 The accumulated settlement of embankment at different filling heights of K1100+360 section

2) 填筑過程與沉降變形分析

根據 K1100+360斷面的現場橫剖管沉降監測結果，得出每次監測時沉降量的最大值及對應的橫剖管上的填土高度，如圖3所示。

從圖3中可以看出，從填筑開始到填筑完成，橫剖管頂端靠近老路堤邊坡坡腳的沉降量最大，新路堤最外側坡腳的沉降量最小。填筑到設計填高9.6 m時，老路堤邊坡坡腳累積沉降量的最大值為100.98 mm，累積沉降速率為0.25 mm/d，滿足設計規范(＜5 mm/d)要求。設計填高完成后，繼續進行監測，測得工后累積沉降量的最大值為106.89 mm。隨著填筑高度的增加，橫剖管靠近老路堤坡腳的沉降量呈現直線下降，沉降較為明顯，而新路基最外側坡腳的沉降量趨于平緩。

圖3 K1100+360斷面路堤填筑過程與沉降曲線Fig. 3 Embankment filling process and settlement curve of K1100+360 section

3) 設計填高完成后路堤沉降與時間的變化分析

填筑完成后，繼續進行觀測，測得工后變形與時間的關系，并與填筑期間的變形進行了比較，判斷路堤是否穩定。填筑完成后，路堤工后沉降與時間的關系，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在停止填筑以后，路堤還在繼續沉降，期間累積沉降量為5.91 mm，日均沉降速率為0.064 mm/d，路堤的沉降量均較小且逐漸趨于穩定，符合設計規范要求(＜5 mm/d)。

圖4 路堤沉降與時間的關系Fig. 4 The relationship between the embankment settlement and time

2 拓寬路基差異沉降的數值分析

2.1 模型的建立

選擇蓮株公路改、擴建工程的一個典型斷面進行模擬計算。將模擬段的地基厚度取30 m，設計高度為9.6 m，計算寬幅為70 m，填料選用老路標段附近的挖方改良土。考慮到蓮株公路既有路基已運營了 20多年，其數值模擬時，在自然條件和交通荷載的作用下固結已完成，因此，不考慮地下水的滲流、固結。該模型數值計算時，假設：①地基和填筑路基土體均選取Mohr-Coulomb彈塑性本構模型；②以現有路基為中軸線，選取加寬面進行模擬計算；③地基底面受到水平和縱向約束，左、右邊界受到水平約束；④地基已完成固結變形；⑤結合面連接效果較好，不發生相對移動；⑥將既有路基的交通荷載等效為10 kPa靜載[14]。

K1100+360斷面路基的網格控制屬性以四邊形為主，網格單元2 770個，節點2 479個，如圖5所示。

圖5 模型網格劃分(單位：m)Fig. 5 The mesh generation of the model (unit:m)

選取從室內固結試驗、剪切試驗測試中獲得的標段老路基附近的挖方段水泥改良土的基本參數，土樣材料參數見表1。

表1 材料參數Table 1 The material parameters

2.2 數值計算驗證

為分析路基的整體沉降和新路基豎向沉降位移，通過數值模擬計算與現場橫剖管所得豎向沉降位移進行了對比分析，對比曲線如圖6所示。

圖6 橫剖管監測與數值模擬沉降量的對比Fig. 6 The settlement contrast of cross-section tube monitoring with numerical simulation

從圖6中可以看出，現場沉降實測值與有限元計算值比對的沉降變化趨勢一致。越靠近新路基路中線，其沉降變形越大，路基沉降量中間大、兩邊小，呈現“碗盆狀”。對于該模型，在累積填筑完成后，土體的沉降趨勢逐漸放緩。隨著時間的增加，沉降量越來越小，直至穩定。地基沉降量的最大值位于路堤整體形心位置，路面沉降呈現“勺子”形狀，符合工程實際規律。

采用逐級施加荷載的有限元計算方法，選取同一斷面，對不同填筑高度位移的實測值與有限元計算值進行對比，驗證了數值模型的有效性。拓寬地基的豎向位移隨著填土高度的增加而增大，有限元計算值與實測值的變化規律趨于一致。通過數值模擬計算，可以預測路基的沉降量，指導路基的填筑層厚和控制沉降速率，保障拓寬路基的沉降量穩定。

2.3 參數靈敏度分析

1) 不同拓寬路基高度的影響分析

采用與 K1100+360斷面相同的數值模型和邊界條件，對不同拓寬路基填高進行了數值計算，路基填高與坡腳沉降量的關系如圖7所示。

從圖7中可以看出，路基的拓寬填高從2 m增加到10 m，老路基邊緣坡腳沉降量的最大值分別為54.62,93.54,115.90, 118.07和122.62 mm。填高從2 m增加到 6 m時，沉降量為61.28 mm，老路基邊緣坡腳沉降變形最大。填高從6 m增加到 10 m時，沉降量為6.72 mm，沉降變形減緩，且趨于穩定。其原因在于：隨著路基填高的增加，其承受的自重荷載也增加，使得沉降量增加。故在設計和建造過程中，要適當限制填土高度。

圖7 路基填高與坡腳沉降量的關系Fig. 7 The relationship between the subgrade filling and the slope settlement

2) 不同路基填土容重的影響分析

在拓寬路基中，選取6種不同填料容重進行了數值計算，路基填土容重與坡腳沉降量的關系如圖8所示。

圖8 路基填土容重與坡腳沉降量的關系Fig. 8 The relationship between the subgrade filling severity and the slope settlement

從圖8中可以看出，隨著拓寬路基填土容重的增加，老路基邊緣坡腳沉降量也增加，填土容重從10 kN/m3增加到30 kN/m3，老路堤邊緣坡腳沉降量的最大值分別為113.98,115.09,116.02,118.24,122.51和130.65 mm。特別是當填土容重達到26 kN/m3時，沉降量顯著增加。表明：拓寬路堤填料達到一定容重時，隨著容重的增加，沉降量會急劇增大，路基的穩定性降低。采用輕質路堤填筑材料可以顯著減小路基的豎向位移，并隨著填筑的完成，其沉降量逐漸減小，并趨于穩定。其原因在于：使用輕質填筑材料可以減少地基承受的上部荷載，并減少對路基的擾動。因此，在高速公路擴建工程中，采用輕質填料是一種經濟、有效降低路基沉降量的選擇。

3) 不同路基拓寬寬度的影響分析

選取3.75,7.5,11.25和15 m等不同拓寬寬度，對路基沉降變形的影響進行了數值計算，如圖 9所示。

圖9 不同拓寬路基的沉降曲線Fig. 9 Settlement curves of different widened roadbeds

從圖9中可以看出，路基從3.75 m拓寬到15 m，沉降變形顯著，老路基邊緣坡腳沉降量的最大值分別為89.29,99.42,106.77和112.93 mm。其原因在于：隨著拓寬寬幅的增加，地基所承受的荷載也增加，同時，對老路基的附加應力也變大，進而使得坡腳沉降量增加。因此，在增加路基沉降量的同時也加劇了新老路基的差異沉降。

3 結論

1) 通過有限元軟件進行拓寬路基沉降量的計算以及現場監測沉降數據進行研究分析，得出現場監測沉降量的最大值為106.89 mm，數值計算沉降量的最大值為108.19 mm，日平均沉降量均小于規范的5 mm。研究結果表明：越靠近新路基路中線，沉降量越大，最大沉降量發生在新路基斷面形心垂直位置下。路基沉降量中間大、兩邊小，呈“碗盆狀”。

2) 隨著拓寬路基的填高、寬度以及容重的增加，沉降量顯著增加，地基所承受的上部荷載也增大。隨著填筑的逐漸完成，沉降量先變大后減小至逐漸穩定，其不僅增加了路基的沉降量，同時也增加了不均勻沉降，提高了拓寬路基發生破壞的幾率，對施工的進度和安全性產生影響。

3) 數值計算結果表現為路基監測沉降量與數值模擬沉降變化曲線趨于一致，驗證了數值模型的有效性。故可以利用有限元軟件模擬，計算拓寬路基的沉降量，按照施工步序加載，預測其工后總沉降量，為全線不同斷面的拓寬路基設計提供參考。