高速公路新舊路基差異沉降控制技術研究

摘要：文章依托某高速公路拓寬工程，選用ABAQUS軟件進行仿真分析，研究了不同臺階開挖寬度、臺階面單次開挖暴露時間以及土工格柵鋪設方案對新舊路基差異沉降及水平位移的影響。結果表明：（1）采用開挖臺階的方式能有效降低新舊路基表面的最終沉降、工后沉降和水平位移，提高整體拼接質量，最適宜的臺階開挖寬度為1.5 m，高度為1.0 m；（2）單次開挖暴露時間會對路基表面沉降產生一定的影響，暴露時間越長，新舊路基的差異沉降越明顯，綜合考慮，最適宜的單次開挖暴露時間為0 d；（3）土工格柵的存在能改善路基差異沉降，最適宜的方案是在新舊路基拼接的底層和頂層共設置兩層土工格柵。

關鍵詞：高速公路；差異沉降；ABAQUS；土工格柵

中圖分類號：U416.1 A 06 020 4

0 引言

隨著交通運輸需求的不斷提升，過往修建的老舊高速公路已不能滿足時代的需求，需要對其進行改擴建處理。但由此帶來的新舊路基差異沉降問題，引發了大量關注，對此，許多學者進行了深入研究。李剛等［1］依托長株高速公路擴建工程，利用有限元差分軟件計算不同拓寬寬度、填方高度、彈性模量、壓縮模量對新舊路基不均勻沉降的影響。李海濱等［2］針對新舊路基差異沉降中多數為點沉降監測，而無法進行整體沉降監測這一難題，提出應用三維激光掃描技術對其進行整體動態檢測，并驗證了該方法的適用性。秦子柔等［3］基于FLAC 3D軟件研究了泡沫混凝土這一常用于高速公路改擴建的路基材料，其不同分層密度對新舊路基差異沉降的影響。賈寶新等［4］運用數值仿真計算研究了公路改擴建工程中造成新舊路基差異沉降的因素，結果表明，拓寬路基的沉降要明顯高于舊路基，新路基土受到的壓應力及其本身壓縮模量是造成新舊路基差異沉降的主要原因。徐全亮等［5］通過有限元三維建模分析計算的方法，針對濱海軟土公路路基改擴建工程中新舊路基的差異沉降、水平位移和內部應力變化規律進行研究。王晨竹［6］根據某山區高速公路改擴建工程實例，利用有限元軟件對其差異沉降特性進行分析，并認為將改良土作為路基填筑土能很好地控制差異沉降，而設置墊層的方法并不能很好地控制差異沉降。本文依托某高速公路拓寬工程，選用ABAQUS軟件進行仿真分析，研究不同臺階開挖寬度、臺階面單次開挖暴露時間以及土工格柵的鋪設方案對新舊路基差異沉降及水平位移的影響。

1 臺階開挖技術研究

為保障新舊路基的拼接質量，需要對新舊路基結合部位進行研究。臺階式開挖方法主要是為了增加新舊路基的接觸面，從而使得交界面處的摩擦力和抗剪強度得到提升，以增強拼接質量，提高新舊路基整體穩定性，減少差異沉降。為研究臺階尺寸和暴露時間對新舊路基差異沉降影響，依托某總高度為12 m、坡率為1∶1.5的高速公路擴寬路基進行數值仿真分析，其原型如圖1所示。分別設置五種工況：工況1：不開挖舊路基，直接填筑新路基；工況2：開挖臺階寬度為0.9 m，開挖高度為0.6 m，開挖階層為20層；工況3：開挖臺階寬度為1.2 m，開挖高度為0.8 m，開挖階層為15層；工況4：開挖臺階寬度為1.5 m，開挖高度為1.0 m，開挖階層為12層；工況5：開挖臺階寬度為2.25 m，開挖高度為1.5 m，開挖階層為8層。

按照從下至上的方式進行開挖，先清除舊路基表層土，然后按要求開挖坡腳處的臺階，再填筑拓寬路基，完成第一層后再進行第二層的開挖、填筑，直至全部完成。其施工示意圖如圖2所示，圖中編號為施工順序。數值仿真采用ABAQUS軟件的生死單元功能進行模擬，先殺死開挖部分臺階單元以模擬開挖施工；然后采用固結分析步計算施工期間的固結沉降以模擬暴露過程，此時，其臺階表面應設置為0孔壓邊界，模擬自由排水面；最后激活填筑部分的單元以模擬填筑施工。模型四周采用法向約束，底部采用全約束，土體表面為0孔壓邊界。模型各土層材料的物理力學參數如表1所示。

由數值仿真分析結果可知，新舊路基交接處中部位置較為薄弱，存在一定的拉應力，當臺階越寬時，其受到的拉應力越大；而坡腳處存在一定的壓應力集中，當臺階越寬時，其受到的壓應力越大。故實際工程施工時，應當對新舊路基交接處進行一定的聯合處理，避免內部產生拉應力區，并對坡腳進行加強處理，避免其因壓應力而產生破壞。

通過沉降計算可得路基表面最終沉降如圖3所示，路基表面工后沉降如圖4所示，路基表面水平位移如圖5所示。由圖3～5可知，臺階開挖式拓寬路基比不開挖直接拓寬路基所得的路基表面最終沉降、路基表面工后沉降以及路基表面水平位移小，故可認為臺階開挖式拓寬路基有利于增強新舊路基的拼接質量，降低其兩者之間的差異沉降。

分析對比各臺階尺寸下新舊路基的沉降可知，臺階寬度并非越小越好，也非越大越好。自工況2至工況4，臺階寬度自0.9 m增寬至1.5 m，其路基表面最終沉降、工后沉降以及水平位移均有所減小，主要是因為當臺階寬度過小時，新舊路基接觸面積較小，從而導致粘結力不足。但隨著臺階寬度進一步加寬，如工況5，臺階寬度為2.25 m，其路基表面最終沉降、工后沉降以及水平位移較工況4均有所增大，究其原因是臺階寬度進一步增大后，舊路基的開挖回彈和新路基的填筑堆載會對沉降產生影響，從而導致差異沉降進一步擴大。故在實際施工中，需要通過計算，選擇合適的臺階寬度進行開挖。該工程最適宜的方案為臺階開挖寬度為1.5 m、高度為1 m。

為研究不同臺階開挖單次暴露時間對新舊路基拼接導致的差異沉降的影響，按上述工況4，即開挖臺階寬度為1.5 m、開挖高度為1.0 m、開挖階層為12層時，分別設置單次開挖暴露時間為0 d、1 d、3 d、5 d、10 d進行數值仿真計算。由計算結果可知，新舊路基交接處中部位置較為薄弱，存在一定的拉應力，但隨著暴露時間的增長，其受到的拉應力逐步減小；路基所受壓應力從上至下逐漸增大，且隨著暴露時間的增長，其最大壓應力逐漸減小，這與工程實際情況一致。

通過沉降計算可得路基表面最終沉降如下頁圖6所示，路基表面工后沉降如下頁圖7所示，路基表面水平位移如圖8所示。由圖6～8可知，隨著單次開挖暴露時間的增長，臺階回彈量逐漸增大，依次為0.35 cm、0.41 cm、0.49 cm、0.60 cm、0.75 cm，其增幅也從開始的17.1%增大到28.5%。若不考慮開挖回彈的影響，則臺階面的沉降量變化不大；若考慮開挖回彈的影響，則隨暴露時間的增長，臺階面的沉降量會減小，從而影響舊路基路肩變形，即由于臺階面開挖回彈的存在，單次開挖暴露時間的增長會使得路基表面的工期沉降減小。但路基表面的工后沉降會隨著單次開挖暴露時間的增長而增大，且其增大幅度由4.1%增至7.4%。

在工期沉降和工后沉降的綜合影響下，舊路基表面的最終沉降幾乎不受單次開挖暴露時間的影響，但是由于新路基最終沉降僅與工后沉降有關，因此其沉降量較大，故可認為單次開挖暴露時間的增加，增大了新舊路基的差異沉降。

路基表面的水平位移值隨著單次開挖暴露時間的增加而增大，舊路基路肩部分會向臨空面產生少量的水平變形，新路基路肩部分的最終位移均為1 cm左右，方向為朝向舊路基方向，基本不受單次開挖暴露時間的影響。

而在實際施工時，隨著單次暴露時間的增加，會增大雨水入滲和長時間日曬等不確定因素發生的可能性，從而埋下隱患，降低工程質量，可能影響工程安全。故應當盡量減少單次開挖的暴露時間，綜合考慮選擇單次開挖的暴露時間為0 d最為合適。

2 土工格柵加筋技術研究

土工格柵因其變形模量大，擁有良好的抗拉、抗老化能力以及優秀的加固效果，在工程中得到了廣泛的使用。在高速公路改擴建工程中應用土工格柵可以對新舊路基拼接處起到良好的加固作用，控制新舊路基的不均勻沉降。其鋪設位置示意圖如圖9所示，其中M、N、P、Q為沉降及水平位移的關鍵監測點位，M表示老路基的中心位置，N為老路基的路肩位置，P為新路基的路肩位置，Q為新路基的坡腳位置，水平向以指向路基臨空面為正。土工格柵的力學參數如表2所示，模型其他部分材料參數見表1。

為研究土工格柵鋪設位置和層數對新舊路基差異沉降的影響，共設置9個工況進行對比分析，得到關鍵監測點位的工后沉降和水平位移如表3所示。由表3可知，當開挖臺階的尺寸和路基高度一致時，鋪設土工格柵后的新老路基關鍵監測點位的工后沉降和水平位移均有所減小，但減小的程度有限。即鋪設土工格柵可以有效降低新舊路基的差異沉降和水平位移，但效果有限。

對比方案2至方案5可知，在各層鋪設土工格柵均能減小路基工后沉降和水平位移，但在中間部位鋪設的效果沒有在頂層和底層鋪設效果好。究其原因是在路基底層鋪設土工格柵，可以增強基底的完整性，從而減小其沉降變形；在頂部鋪設可以減少裂紋，分擔車輛荷載。故可認為土工格柵的最佳鋪設位置為新舊路基拼接的底層和頂層。

對比方案5至方案9可知，隨著鋪設土工格柵的數量增多，路基工后沉降量越小。相較而言，鋪設一層與鋪設兩層土工格柵的路基工后沉降減小效果最明顯，此后增加鋪設層數雖仍有效果，但不明顯。故可認為兩層土工格柵可滿足工程要求，過多鋪設既增加了工程難度，也不利于控制工程成本。

3 結語

本文依托某高速公路改擴建工程，通過ABAQUS軟件數值仿真分析，研究了不同臺階開挖寬度、臺階面單次開挖暴露時間以及土工格柵的鋪設方案對新舊路基差異沉降及水平位移的影響，得到如下結論：

（1）當路基總高度和坡度一致時，采用開挖臺階的方式拼接新路基能有效降低新舊路基表面最終沉降、工后沉降和水平位移，提高其拼接質量和整體性；開挖臺階寬度為1.5 m、高度為1.0 m時，對新舊路基的差異沉降控制最佳；尺寸過小，新舊路基的粘結力過小，不利于控制差異沉降；尺寸過大，增大了臺階面開挖回彈量和新路基填筑的影響，導致新舊路基差異沉降增大。

（2）單次開挖的暴露時間會對路基表面的沉降變形產生一定的影響。由于臺階面開挖回彈變形的存在，舊路基工期沉降會隨著暴露時間的增大而減小，新舊路基的工后沉降均隨著暴露時間的增大而增大，故暴露時間越長，新舊路基的差異沉降越明顯。因此，綜合考慮取單次開挖暴露時間為0 d最合適。

（3）土工格柵的存在能改善新舊路基的差異沉降，但改善效果有限；綜合考慮施工效果和經濟成本，在新舊路基拼接的底層和頂層設置兩層土工格柵最為合適。

參考文獻

［1］李 剛，郭艷玲.高速公路改擴建新舊路基差異沉降影響因素分析［J］.公路交通科技，2021，38（7）：22-28.

［2］李海濱，唐國茜，趙桂娟，等.三維激光掃描技術在路堤沉降觀測中的應用［J］.西安科技大學學報，2021，41（1）：87-93.

［3］秦子柔，徐永福.基于FLAC 3D的泡沫混凝土密度分層對高速公路老路拓寬的影響［J］.公路，2020，65（8）：95-99.

［4］賈寶新，劉豐溥，趙 良，等.公路改擴建導致新老路基差異沉降的因素分析［J］.安全與環境學報，2020，20（1）：67-72.

［5］徐全亮，宋 琦，劉 錢.濱海軟土公路路基拓寬拼接位移與應力分析［J］.公路，2019，64（10）：68-73.

［6］王晨竹.山區高速公路路基差異沉降特性分析及對策探討［J］.山東農業大學學報（自然科學版），2018，49（5）：772-776.

收稿日期：2022-12-20