軟土地基公路加寬路基差異沉降分析

王鑫 張強

【摘? ? 要】：針對差異沉降對軟土地基道路加寬的影響，采用有限元方法分析了軟土地區路基加寬過程的地基沉降規律及影響舊路基附加沉降的各種因素，得出軟土地基路基加寬不僅要控制工后路拱橫坡度的增大值，還需避免路面結構層開裂角度控制以不均勻沉降的結論。

【關鍵詞】：軟土地基；公路；路基加寬；差異沉降

【中圖分類號】：U416.1【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）03-09-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.003

Analysis of Differential Settlement of Widened Road Base on Soft Ground Highway

WANG Xin，ZHANG Qiang

（Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300392，China）

【Abstract】：Focused on influence of differential settlement on the widening of roads with soft ground， the paper uses finite element method to analyze the foundation settlement law in the process of widening of roadbeds in soft soil areas and various factors affecting the additional settlement of old roadbeds， proposes that the widening of soft ground road base should not only control the post-work increase value of road arch transverse slope， but also control the uneven settlement from the perspective of avoiding the cracking of pavement structure layer.

【Key words】：soft soil foundation；highway; roadbed widening；differential settlement

由于新舊路基地基的固結程度不同，公路拓寬改造，尤其是在軟土地基上進行加寬時，新路基施工會誘發新的附加沉降，導致地基的出現橫向差異沉降，造成舊路路面縱向開裂甚至錯臺[1～2]。目前，規范對路基拓寬僅考慮控制路拱橫坡度的工后增大值且規定的較為寬泛[3]，對工程實際指導意義不大，已有文獻對差異沉降控制標準進行了分級研究[4]；但針對軟土地區的相關研究較少。為此，本文結合實際工程，應用有限元軟件研究軟土地基新舊路基的差異沉降及新路基的工后沉降變化規律，提出軟土地基路基加寬控制指標。

1 新路基填筑對舊路的影響

1.1 模型的建立

模型選取雙向4車道，頂面寬26 m，兩側對稱加寬，加寬路堤邊坡均取1∶1.5，舊路路堤彈性模量取固定值40 MPa。左邊界為對稱軸，豎向自由、水平約束，不排水；下邊界豎向和水平均固定，排水；右邊界豎向自由、水平固定，不排水；上邊界豎向和水平均自由，排水。淤泥質粉質黏土采用修正劍橋模型參數，超固結比1.0、正常固結線斜率0.127、超固結線斜率0.008、初始孔隙比1.4、臨界狀態線斜率0.324；其余路堤采用線彈性模型。見表1。

1.2 影響分析

1.2.1 新路基填筑對孔隙水壓力的影響

經過多年行車荷載作用，舊路地基的沉降已經穩定，但新路基的施工必將對舊路基產生新的附加沉降，如果沉降量超過允許值，則舊路基縱向產生裂縫。對拓寬路基坡腳處的地基孔隙水壓力進行模擬分析發現，舊路基施工沉降穩定后，隨著新加寬路基的施工，坡腳處的孔隙水壓力重新增高，最高達到施工前壓力的90%[5]。路基高度取6 m，舊路施工8 a后加寬，對路基中線處的地基孔隙水壓力變化情況進行模擬分析。舊路施工3 a后孔隙水壓力已趨于穩定；但隨著新路基加寬施工，舊路中心處孔隙水壓力會隨之出現波動，峰值約為加寬前最大值的10%左右，壓力波動雖沒有坡腳處劇烈，但同樣會引起舊路中心的沉降。見圖1。

1.2.2 不同加寬寬度對舊路的影響

在地質條件相同的情況下，取路基分別加寬5、8.25、12.5、16、32 m，分析引起的舊路附加變形。見圖2和見表2-表3。

隨著加寬寬度的增加，舊路路堤頂面的附加差異沉降逐漸增大；即使是加寬路堤僅為5.0 m，也會引起橫坡的較大改變。因此，擴建過程中，為減少附加不均勻沉降，應選取合理的新舊路堤拼接方案和軟基處理方案。

橫坡的改變量隨加寬寬度的增加也逐漸增大，但遠<0.5%。故加寬工程如果單純考慮加寬后新路路肩與舊路中心的橫坡改變量，新路橫坡的改變量一般都<0.5%；因此，在考慮新舊路基差異沉降的控制標準時，不應僅僅考慮加寬后新路路肩與舊路中心的沉降差，還應考慮施工過程中舊路橫坡的改變量，以避免造成舊路縱向裂縫的發生。

1.2.3 不同填筑高度對舊路的影響

以拓寬部分路堤寬度8.25 m為例，分析不同路基填高時加寬路堤引起的舊路的附加沉降。見圖3和表4。

舊路路堤頂面的附加差異沉降隨拼接高度的增加逐漸增大且最大差異沉降發是路基填高約5 m時；而后隨路基填高的增加，差異沉降減小，主要是由于路基填高的增加，舊路路基的寬度也越大，新增荷載對舊路基的影響反而越小。

1.2.4 不同軟土厚度對差異沉降的影響

路基填高6 m，分別研究軟土厚度為3、6、10、15 m時附加沉降的變化。見圖4和表5。

隨著軟土厚度的增加，舊路基路肩及舊路路中的附加沉降量也明顯增加，但橫坡的改變量隨著軟土厚度的增加而減小；故在拓寬工程中，雖然軟土的厚度較小，但對于其所引起的附加沉降也應給予足夠重視。

2 容許差異沉降分析

現行規范規定，路基拼接時應控制新舊路基之間的差異沉降，原有路基與拓寬路基的路拱橫坡度的工后增大值不應＞0.5%[3]。這條規定主要是以控制新舊路基的差異沉降為原則，避免在路基拓寬過程中一味地對拓寬部分的新路基采取加固措施，追求控制新路基的沉降量，而忽視了舊路基的附加沉降，造成加寬部分的新路基沉降較小，但舊路基的沉降卻很大，導致路面橫向平整度差，甚至是出現折點、反坡、凹形等。

以雙向4車道公路為例，舊路路肩與路中的距離為13 m，路面結構為4 cm細粒式瀝青混凝土（AC-13C）+6 cm中粒式瀝青混凝土（AC-20C）+8 cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）+1 cm下封層+18 cm水泥穩定碎石上基層+18 cm水泥穩定碎石下基層+18 cm石灰土（12%）底基層。材料參數按照JTGD 50—2017《公路瀝青路面設計規范》中值選取。

隨著新舊路基的沉降差異增大，路面各結構層的層底拉應力隨之增大；受材料剛度影響，相同差異沉降下，水泥穩定碎石基層的層底拉應力遠大于面層及底基層拉應力，因此，在舊路拓寬時，應著重考慮半剛性基層的應力。見圖5。

水泥穩定碎石劈裂強度范圍在0.4～0.6 MPa，當新舊路基不均勻沉降達到4 cm，基層拉應力已超過0.6 MPa，基層將會出現開裂破壞，而此時路拱橫坡度的改變量約為0.3%，遠<0.5%。由此可以看出拓寬不僅僅需要考慮控制路拱橫坡度的工后增大值，還需從避免路面結構層開裂角度去控制不均勻沉降。

3 結論

1）隨著加寬寬度的增加，橫坡的改變量也增大，但改變量遠小于路基設計規范0.5%的規定。

2）隨著拼接高度的增加，加寬路堤填筑引起的舊路路堤頂面的附加差異沉降也逐漸增大且最大差異沉降發生在路基填高約5 m時。

3）隨著軟土厚度的增加，舊路基路肩及舊路路中的附加沉降量也明顯增加，但橫坡的改變量隨著軟土厚度的增加有所減小。

4）路基拓寬不僅僅需要考慮控制路拱橫坡度的工后增大值，還需從避免路面結構層開裂角度去控制不均勻沉降。

參考文獻：

[1]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.

[2]侯志峰，靳燦章. 軟土地區道路加寬工程路基差異沉降特性研究[J]. 城市道橋與防洪，2020，（5）：232-235+27.

[3]JTGD 30—2015，公路路基設計規范[S].

[4]傅珍，王選倉，陳星光，等. 高速公路拓寬差異沉降對路面結構的影響[J]. 長安大學學報（自然科學版），2008，28（3）：36-39.

[5]熊偉. 軟土地基公路改擴建沉降控制標準及方法研究[J]. 交通科技，2015，（5）：98-99+105.