高速公路改擴建新舊路基差異沉降影響因素分析

田原

摘要 新舊路基結合處的差異沉降控制是高速公路改擴建的技術難點之一。若差異沉降值過大，會導致路基遭到破壞，影響路面結構，降低道路的使用品質，甚至危及行車安全。針對上述問題，依托某高速公路改擴建工程，應用有限差分法建立了數(shù)值計算模型，研究了不同拓寬寬度、不同填方高度、不同彈性模量和不同壓縮模量4種影響因素下新舊路基不均勻沉降的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)距舊路中心6 m范圍內拓寬路基沉降較小，6～18 m范圍內沉降增幅逐漸增大，新舊路基結合處尤為顯著，曲線末尾出現(xiàn)輕微“波谷”狀，最大沉降發(fā)生在拓寬路基邊緣附近。研究結果表明在合理經(jīng)濟范圍內，提高地基土壓縮模量可顯著降低新舊路基不均勻沉降，提高使用壽命。

關鍵詞 道路工程;高速公路改擴建;有限差分;路基拓寬;差異沉降

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0064-03

0 引言

我國高速公路舊路拓寬工程的設計和施工主要參照新公路的規(guī)范，但是公路改建工程相對復雜，技術方面具有一定的約束性，在面臨一些實際的問題時，沒辦法很好地去解決處理。在現(xiàn)有成果的基礎上，該研究依托某高速公路，開展針對不同因素影響下，舊路改擴建工程中存在的沉降差異分析，希望能夠借此為相關同仁們提供參考和借鑒。

1 工程概況

某省一段高速公路線路全長41.574 km，采用4車道高速公路標準建設，連接線采用4車道一級公路標準建設，線路設計路基寬度為26 m，路面寬度為22 m。項目為雙喇叭互通，受制于互通線形，匝道半徑較小，大貨車通行時速度較低，極易造成擁堵。此外雙喇叭連接線是雙向單車道，是立交系統(tǒng)中的重要路段，當車輛處于此區(qū)域時，需要連續(xù)變道且相互交織，極易產(chǎn)生較大的交通沖突和干擾，[1]須對該高速互通進行擴容改造。由于擴容改造受制于作業(yè)空間小、交通量大等因素，應盡可能考慮降低新舊路基結合處不均勻沉降的影響。為此，建立有限差分模型分析不同影響因素下新舊路基的差異沉降。

2 幾何模型建立

研究主要針對高速公路拓寬工程中新舊路基的不同拓寬寬度、不同填方高度、不同路基彈性模量和不同地基壓縮模量對加寬路基差異變形響應進行分析。根據(jù)該高速公路改擴建工程建立幾何模型。模型尺寸為60.0 m×60.0 m×30.0 m（長×寬×高），計算模型采用半幅進行分析。其中舊路路基寬度為25.0 m，新路路基寬度為9.0 m，新舊路基高度均為6.0 m，路堤邊坡坡度為1∶1.5，新路基開挖和填筑均采用臺階法施工。

3 計算結果及分析

3.1 不同拓寬寬度對路基差異沉降的影響

根據(jù)依托項目的具體情況，取道路單側拓寬寬度6 m、8 m、10 m、12 m，分別模擬不同拓寬路基對路基不均勻沉降相應分析，具體結果如圖1和圖2所示。

由圖1可知，隨舊路路基拓寬寬度增加，新舊路基結合處不均勻沉降也增加，且隨拓寬寬度增大，路基頂面的沉降量也會產(chǎn)生不同程度的增加。具體而言，距舊路中心6 m范圍內路基頂面沉降較小，而距舊路中心一定范圍（6～18 m）沉降增速較快，新舊路基銜接處沉降曲線斜率逐漸增大，且拓寬寬度的增加也會出現(xiàn)沉降曲線斜率增大的現(xiàn)象，直至接近新路邊緣處斜率逐漸減小，曲線末尾出現(xiàn)輕微“波谷”狀，最大沉降發(fā)生在拓寬路基邊緣附近。

由圖2可知，當拓寬路基寬度為6 m時，新舊路基最大差異沉降為6.21 m;當拓寬路基寬度為8 m時，新舊路基最大差異沉降為8. 36 cm;當拓寬路基寬度為10 m時，新舊路基最大差異沉降為10.20 cm;當拓寬路基寬度為12 m時，新舊路基最大差異沉降為11.75 cm。其中，最大差異沉降增幅（以加寬寬度6 m為基準）分別為34.62%、64.25%、89.21%。因此，在拓寬寬度為6 m、8 m、10 m、12 m時，拓寬寬度的增加會引起最大差異沉降的增大。眾多工程實例表明，選取適當?shù)耐貙拰挾然蜻m當減小拓寬路基上部土的重度，可有效緩解因應力集中而產(chǎn)生的不均勻沉降。

3.2 不同填方高度對路基差異沉降的影響

高速公路改擴建中不同標段的拓寬路基的填方高度不同，對下部地基的作用力也不同，進而引起的變形也存在差異。[2]因此，探究拓寬路基的不同填方高度對新舊路基差異沉降響應顯得尤為重要，依托實體工程，分別對填方高度為4 m、6 m、8 m、10 m，建立有限差分模型進行數(shù)值計算，分析不同填方高度下新舊路基的不均勻沉降。填方高度由4 m增長到10 m時，距舊路中心6 m范圍內沉降較小，增值較小，不同填方高度下沉降曲線趨勢基本一致;距舊路中心6～12 m范圍內沉降增幅緩慢增大;距舊路中心一定范圍（12～18 m）內，沉降曲線增幅趨勢逐漸增大，新舊路基結合處增幅更為顯著，不同填方高度的改變對路基項面的沉降產(chǎn)生影響。當填方高度為4 m時，新舊路基最大差異沉降為6.10 cm;當填方高度為6 m時，新舊路基最大差異沉降為8.11 cm;當填方高度為8 m時，新舊路基最大差異沉降為8.52 cm;當拓寬路基寬度為10 m時，新舊路基最大差異沉降為8.82 cm。其中，最大差異沉降增幅（以填方高度4 m為基準）分別為24.78%、28.35%、30.79%。

綜上所述，不同填方高度對新舊路基的影響主要發(fā)生在新舊路基結合處，通過改變不同的填方高度等效于改變地基土上部荷載，迫使路基及地基內部發(fā)生應力重分布，使得新舊路基結合處沉降增大。因此，在設計時可適當調整填方高度，以降低結合處差異沉降，滿足工程實際需求。

3.3 不同彈性模量對路基差異沉降的影響

高速公路改擴建工程中選擇的填筑材料往往不盡相同，且路基在不同地段的壓實度、施工工藝和自然條件等因素都對路基的彈性模量造成影響。因此，通過控制其他變量，探究不同彈性模量與路基差異沉降響應分析具有一定的必要性。新路基的彈性模量在舊路基彈性模量的基礎上（假定舊路基彈性模量不變）分別減少5 MPa和10 MPa、增加5 MPa和10 MPa，建立數(shù)值模型進行分析，結果如圖3和圖4所示。

由圖3可知，沉降隨新路基彈性模量的增大而減小，不同彈性模量的改變對距舊路中心較近的位置（0～6 m）的沉降影響不大，路基頂面沉降曲線增幅較小，而距舊路中心一定距離（6～18 m）的沉降影響較大，沉降曲線增幅逐漸增大，不同路基彈性模量下沉降曲線趨勢基本一致。由圖4可知，當新路基土彈性模量分別從減小10 MPa和5 MPa、增加5 MPa和10 MPa，最大差異沉降從8.96 cm減小到8.80 cm、8.65 cm、8.59 cm、8.51 cm，其中，最大差異沉降增幅分別為3.58%、1.73%、?0.69%、?1.62%。路基彈性模量的改變引起路基頂面的最大差異沉降改變值較小。

綜上所述，路基的彈性模量并不是導致差異沉降產(chǎn)生的主要因素。不同彈性模量的變化對路基頂面沉降和最大差異沉降有一定程度的影響，但效果并不顯著。因此，對于彈性模量較小的新路基而言，為降低新舊路基不均勻沉降，在合理的經(jīng)濟范圍內，可采用提高拓寬路基的壓實度等技術措施。

3.4 不同壓縮模量對路基差異沉降的影響

高速公路改擴建工程中，舊路基下部的地基土在長時間上部車輛荷載和路基自重荷載作用下，沉降已基本穩(wěn)定，而拓寬路基部分的新地基土尚未固結完成，新舊地基土二者的壓縮模量差異較大。因此，很有必要分析不同壓縮模量對路基差異沉降的影響。通過新地基的壓縮模量在舊地基壓縮模量的基礎上（假定舊地基壓縮模量不變）分別減少4 MPa和2 MPa、增加2 MPa和4 MPa，建立數(shù)值模型進行分析，分析結果如圖5和圖6所示。由圖5可知，最大沉降隨新路基壓縮模量的增大而減小，而隨壓縮模量的增加，路基頂面沉降會產(chǎn)生不同程度的增加。在新舊路基結合處路基頂面沉降曲線斜率增大，直至接近新路邊緣處斜率逐漸減小，曲線末尾出現(xiàn)輕微“波谷”狀，最大沉降發(fā)生在拓寬路基邊緣附近。

由圖6知，提高地基土的壓縮模量可有效控制新舊路基的不均勻沉降。當新地基土的壓縮模量與舊地基土的壓縮模量存在較大差異時，路基頂面產(chǎn)生的沉降較顯著，尤其新舊路基銜接處會產(chǎn)生較大的差異沉降。這是因為舊路基在外荷載作用下自身固結基本完成，地基趨于穩(wěn)定，而新路基壓實程度較低，二者的差異性使得新舊路基結合處易產(chǎn)生較大的不均勻沉降，甚至可能會導致路面出現(xiàn)開裂或縱向裂縫等病害。因此，可適當提高新地基土的壓縮模量，尤其針對軟土地基等特殊地質，可采用復合地基等技術措施，從而有效控制差異沉降，避免路面下沉過速等病害的出現(xiàn)[3]。

4 結論

拓寬路基的不均勻沉降隨拓寬寬度和填方高度的增大而增加，拓寬寬度對沉降的影響較填方高度更顯著，隨拓寬寬度的增加，最大差異沉降增幅最大值可達89.21%，實際工程中應盡可能選取重度較小的填土或設計合適的拓寬寬度;對比不同的路基彈性模量和地基壓縮模量可得，不同路基彈性模量對路基頂面最大差異沉降的影響較小，隨路基彈性模量發(fā)生改變，最大差異沉降增幅最大值僅為3.58%;對比不同的地基壓縮模量可知，最大差異沉降增幅最大值為42.14%，因此，在合理經(jīng)濟范圍內，提高地基土壓縮模量可顯著降低新舊路基不均勻沉降，提高使用壽命。

參考文獻

[1]李立， 鄭俊杰， 曹文昭， 等. 考慮地基土流變性的樁承式加筋土擋墻拓寬路基數(shù)值模擬[J]. 土木與環(huán)境工程學報， 2020（2）： 65-72.

[2]沈煒， 呂錫嶺. 氣泡混凝土拓寬路基的沉降特性數(shù)值分析[J]. 公路工程， 2014（3）： 241-245.

[3]方元偉. 濱萊高速公路改擴建工程路基穩(wěn)定性及控制技術研究[D]. 西安：長安大學， 2019.