公路改擴建路基差異沉降特性研究

潘 瑞，王 俊

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都550081）

0 引 言

在公路項目建設初期，由于交通規劃、設計理念、施工機械及技術水平等因素局限，使得很多原先建成的公路通行能力已經難以適應當地交通發展的需求，影響了沿線經濟和行車舒適度，甚至可能導致交通事故頻發。由于新建公路工程占地面積大、資金耗費多，選擇經濟、合理、可行的改擴建方案，并確保路基的工后差異性沉降滿足規范要求，已經成為工程技術人員要解決的重要問題。

經過多年工程實踐，國內外學者及工程技術人員針對新老路基的差異沉降開展了一些研究，如鄭勇[1]依托湖南省蓮花沖至株洲公路工程，利用軟件FLAC3D分析了土工格室在處治新老路基差異沉降的應用成果；陳志寶[2]以某二級公路雙側拼寬工程為研究對象，研究了路基填料的壓縮模量、抗剪強度參數等因素對新老路基不均勻沉降的影響規律；賈寶新[3]利用土工離心模型試驗，分析了CFG樁對新老路基不均勻沉降的控制效果。但是，很多設計人員在開展公路改擴建任務時，對新老路基差異沉降規律并不重視，過分追求高指標，設計方案保守，從而導致工程規模過大、費用過高等問題。故分析公路改擴建路基差異沉降特性具有重要的工程意義。

1 公路路基差異沉降機理分析

1.1 路基差異沉降計算理論

在公路改擴建項目中，新老路基之間的沉降差來自老路基、新路基及其下地基土在外部荷載、自身重力等作用下的壓縮和固結沉降（瞬時沉降、主固結沉降及次固結沉降）。其中，主固結作用在路基的工后沉降中起主導作用[4]。路基的工后沉降S計算方法如下：

式中：m為為經驗系數，與荷載大小、土質等有關；Sc為主固結沉降；ΔP為第i層中點應力；Esi第i層壓縮模量；Δhi為第i層厚度。

計算新老路基之間的不均勻沉降可以將荷載劃分成三部分，即一個矩形荷載分布區（Ⅲ區）和兩個三角形荷載分布區（Ⅰ區和Ⅱ區），求出三部分荷載之和，則可計算出地基深度Z處應力大小。加寬路基荷載分布劃分方式同上[5]，如圖1所示。

圖1 新老路基荷載分布區域劃分圖

1.2 新老路基差異沉降原因分類

在公路改擴建項目中，新老路基結合位置出現不均勻沉降的原因為[6]：第一，受填料最佳含水量、施工條件、施工技術等因素的限制，加寬路基的土體壓實不足，使得新老路基之間的壓實度相差較大。第二，新老路基之間變形不協調，使得原地基土在公路拓寬前已經基本固結完成，彈性模量小，變形小；同時，隨著上部荷載的增加而變大，新路基下地基土壓縮性大，沉降量及變形速率也較快。第三，新老路基結合位置施工難度大，存在壓實度小、開挖臺階尺寸不符合設計要求或采取的處治措施不合理等問題。

2 公路拓寬差異沉降計算模型建立

2.1 工程概況

以某一級公路改擴建項目K6+180橫斷面為實例，利用ANSYS15.0來探討新老路基的不均勻沉降變形。該斷面老路基寬度是26 m，采用兩側加寬的方案進行改建，每側拓寬8 m，加寬后整個路基橫斷面寬度為42 m，路基的平均填方高度為8 m，邊坡的坡率為1∶1.5。計算寬度取3倍的路基底部寬度，計算深度取地基下30 m，具體尺寸如圖2所示。

圖2 新老路基差異沉降計算模型（單位：m）

2.2 計算參數確定

2.2.1 屈服準則選取

土體屈服準則是指土體在荷載作用下的應力—應變關系。路基和地基土體的沉降變形不僅受到外部荷載的作用，靜水壓力和土體之間的側向力也會對其沉降產生一定程度的影響。同時，路基和地基土體的抗壓強度遠大于抗拉強度，故選擇有限元軟件ANSYS內置的D—P屈服準則來模擬土體的變形[7]。D—P屈服準則的計算公式為：

式中：t為偏應力；β為應力曲線傾角；d為屈服面的截距。

2.2.2 單元類型和邊界條件

公路路基可視為無限長帶狀物，其沉降變形分析屬于平面應變問題，可采用Solid45單元來模擬路基土體。公路加寬后對地基底部的X、Y、Z方向全部約束，地基兩側只約束X方向，路基邊坡約束Z方向，路面車輛荷載通過在路基頂部加載1m的土柱來模擬。

2.2.3 路基填料參數

該一級公路所在地理位置以粉質黏土為主，根據巖土勘察報告可知K6+180路基橫斷面土體的物理力學參數如表1所列。

表1 路基土體物理力學參數表

3 公路拓寬差異沉降變化趨勢及影響因素分析

在建模、劃分網格、確定設計參數、設置邊界條件等工作完成之后，分析了路基加寬后新老路基的沉降（豎向位移和水平位移）變化規律，并分析了加寬高度、填料重度對拓寬路基不均勻沉降的影響規律。

3.1 新老路基差異沉降特性

有限元軟件ANSYS計算出路基加寬后，路基的豎向位移和水平位移變化云圖如圖3所示。

圖3 新老路基沉降變形云圖

計算結果表明，路基加寬后，路基豎向位移是中間小兩邊大，呈“凸”形變化。老路基的中心位置變形最小，且距離路基中心線距離越遠，沉降變形越明顯。新路基的最大豎向位移在土路肩的邊緣，從土路肩向路基邊坡坡腳方向的三分之二范圍內的豎向位移較大，路基邊坡坡腳處豎向位移較小；路基加寬后，路基水平位移最大值出現在新老路基結合位置，且新路基坡腳下一定深度范圍內的地基土也出現了較大的水平位移。無論是豎向位移還是水平位移，新路基的變形都遠大于老路基的變形。

3.2 新老路基差異沉降的影響因素

3.2.1 加寬高度

由于公路沿線地形的限制，路基在加寬時填土高度并不完全相同，會導致新老路基的附加荷載有變化。在拼寬方式、屈服準則、材料物理力學參數等不變的條件下，選擇填土高度分別是2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m，得到不同加寬高度下路基頂面的沉降變形見圖4所示。

圖4 不同加寬高度下路基沉降變形曲線圖

由圖4可知：由于路基加寬高度的增加，作用在新老路基上的附加荷載也隨之提高。在不同填土高度下，路基最大沉降點均大致位于拓寬路基路肩處。隨著加寬高度的增加，路基各點沉降量也不斷增加。當填土高度小于8 m時，路基沉降變形速率較緩；當填土高度超過8 m時，路基沉降變形與距老路中心線的距離基本呈線形增長。同時，在不同加寬高度下，新老路基的差異沉降見表2所列。隨著路基加寬高度的增加，新老路基的差異沉降也不斷增加，但增加速率不斷減小。路基加寬高度從2 m至12 m，新老路基的差異沉降增加了129.3%，即填土高度每增加2 m，新老路基差異沉降平均增加25.8%。

表2 不同加寬高度下新老路基差異沉降一覽表

3.2.2 新路基填料重度

早期的公路工程建設，一般直接是用土填筑。隨著路用材料的發展和施工技術的提高，越來越多的新型路基填料（如EPS、FCB等）被用到公路改擴建項目中，不同填料的重度相差可能較大，對路基變形的影響也有差異。選擇加寬填料重度分別為5 kN/m3、10 kN/m3、15 kN/m3、20 kN/m3，得到不同填料重度下路基頂面和地基頂面的沉降變形如圖5所示。

圖5 不同填料重度下路基和地基沉降變形曲線圖

由圖5（a）可知，在距老路中心線的距離相同的條件下，隨著新路基填料重度的增加，路基各點沉降量也不斷增加。在不同路基填料重度下，路基的最大沉降點均大致位于新路基的路肩處。當在距老路中心線的距離小于2 m時，各填料重度下路基沉降值基本保持不變；當在距老路中心線的距離大于4 m時，路基頂面沉降值隨著距老路中心線的距離增加而增加。由圖5（b）可知，在路基填料重度下，地基頂面的最大沉降點出現在新路基邊坡的坡腳處。同時，當監測點距老路中心線的距離大于40 m時，地基頂面沉降基本不受填料重度的影響。在不同路基填料重度下，新老路基的差異沉降見表3所列：隨著填料重度的增加，新老路基差異沉降不斷增加，且二者之間基本呈線形正相關。路基填料重度從5 kN/m3至20 kN/m3，新老路基的差異沉降增加了317.4%，即填料重度每增加5 kN/m3，新老路基差異沉降平均增加79.4%。

表3 不同填料重度下新老路基差異沉降一覽表

4 結 語

（1）公路新老路基間差異沉降差源于老路基、加寬路基及地基土在外部荷載、自身重力作用下產生地壓縮和固結。

（2）公路路基拓寬后，路基沉降變形基本呈中間小兩邊大的“凸”形變化趨勢，同時路基的最大豎向位移在土路肩的邊緣，從土路肩向路基邊坡坡腳方向的三分之二范圍內的豎向位移較大，路基水平位移最大值出現在新老路基結合位置。

（3）路基頂面沉降量和新老路基的差異沉降隨著路基加寬高度的增加而增加，且加寬高度超過8 m時，路基沉降與距老路中心線的距離基本呈線形增長。

（4）在不同路基填料重度下，路基最大沉降點位于新路基的路肩處，且隨著填料重度的增加，新老路基差異沉降不斷增加。