山區高速公路改擴建路基拓寬沉降控制標準研究

摘 要：經濟的快速發展需要以更方便快捷的交通為支撐，為了滿足交通需求的不斷增長，最有效的方式就是對現有高速公路進行改擴建。本文依托某山區高速公路改擴建實際工程，建立路基拓寬差異沉降路面有限元計算模型，綜合考慮公路通車運營后路面材料的抗拉強度和疲勞特性，以變坡率0.10%和0.35%作為差異沉降控制標準的下界和上界，將路基差異沉降控制標準分為輕微、低、中、高四個等級，為山區高速公路改擴建工程路基拓寬工程的設計和施工提供理論依據。

關鍵詞：公路改擴建，路基，差異沉降，控制標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.24.040

我國經濟已進入信息化發展階段，經濟的發展需要以方便、快捷的交通為支撐，現有高速公路的運力不能滿足現階段和未來的交通需求，亟需擴大高速公路運輸能力[1-2]。尤其是我國缺乏土地資源。為了滿足交通需要，最行之有效的方式就是高速公路改擴建，與新建高速公路相比，高速公路改擴建可以有效利用原有路基，減少建設用地，縮短工程周期[3]。因此，舊高速公路的改擴建將是目前我國高速公路發展的必然趨勢。

廣佛高速改擴建作為我國首條完成的公路擴建工程，緊隨其后，我國開展了多條高速公路的改擴建。目前公路改擴建還沒有統一的建設標準，盡管國內外大量研究人員對高速公路改擴建等問題開展了研究，但都不夠系統[4]。近年來，大量學者結合高速公路加寬工程實例，利用數值模擬研究了路面、路基、地基間的相互作用，揭示了差異沉降下路面的力學響應，提出研究依托工程的差異沉降控制標準[5-9]。但是，研究項目來源多位于平原地區，相應的研究成果是否適用于山區地質條件下的高速公路改擴建，仍值得進一步研究。山區工程地質條件差異相對較大，在山嶺重丘區開展高速公路改擴建項目時存在大量高填方路基，新舊路基拼接施工的差異沉降更明顯。為了防止新舊路基差異沉降造成路面結構層破壞，在改擴建路基設計時應建立相應的路基拓寬差異沉降控制標準，同時采取相應的控制措施以減小新舊路基差異沉降。

本研究結合廣西壯族自治區某山區高速公路改擴建工程路基拓寬工程，根據路面材料力學特性建立路基加寬差異沉降控制標準。研究成果可為山區高速公路改擴建工程路基拓寬工程的設計和施工提供理論依據。

1 工程概況

廣西壯族自治區某高速公路改擴建工程第三合同段原有公路路基穿越于越城嶺與架橋嶺兩大山脈，按高速山區公路標準建設，為雙向四車道，設計速度80 km/h，路基寬度為21.5 m。本改擴建項目主要采用兩側加寬方案，局部采用單側拼寬和分離式加寬，擴建后的八車道設計速度100 km/h，路基寬41.0 m。本標段位于山嶺重丘區域，路基回填高度最高可達33.76 m，回填土體在固結期間會發生顯著沉降。一般路基拼接設計圖如圖1所示。

2 路面差異沉降模型建立

根據新舊路基的差異沉降和所對應的路基寬度，用變坡率指標來表示新舊路基的差異沉降，進而評價路面結構的力學響應特征。有限元計算的不均勻沉降與新舊路基實際變形情況有所差異，根據新舊路基的差異沉降曲線，將路基的差異沉降簡化為在拼接處斜率突變的線性曲線，如圖2所示。

圖2中，y 0表示舊路中線處路基沉降；y 1表示舊路路肩處路基沉降；y 2表示新路路肩處路基沉降；x 1表示舊路路肩距離舊路中線的寬度；x 2表示路基拓寬寬度。

即舊路基最大差異沉降為：y 1-y 0，對應變坡率為（y 1-y 0）/x 1；

新路基最大差異沉降為：y 2-y 1，對應變坡率為（y 2-y 1）/x 2；

路基最大差異沉降為：y =y 2-y 0，對應變坡率為（y 2-y 0）/（x 1+x 2）。

采用有限元方法計算新舊路基差異沉降引起的附加應力，分析差異沉降作用下路面結構的面層、基層和底基層的力學響應特征。對有限元模型作以下基本假設：

（1）路面為條形結構，將其視為平面應變問題；

（2）將路面視為均質連續的彈性材料；

（3）結構層沿豎向完全連續，高速公路運營后，差異沉降增長時路面結構層變形，層間無脫空現象；

（4）邊界條件：最底層路面選用沉降位移邊界，左邊界選用位移約束，方向水平，其余邊界自由。結合依托工程項目的路面結構設計圖紙和部分參考文獻，路面各結構層的物理力學參數見表1。路基加寬多采用兩側加寬的形式，取對稱路基的一半進行研究分析，根據項目的實際情況，取舊路基寬11 m，新路基部分寬8 m，有限元模型網格情況如圖3所示。

3 路面差異沉降模擬結果

3.1 路面力學響應特征分析

新舊路基過大的差異沉降將導致路面承受一定的拉應力，路面材料的抗壓強度較高，但抗拉強度較低。根據新舊路基表面差異沉降變形曲線確定模型的下邊界條件，計算出不同差異沉降下路面各結構層的力學響應特征，路面結構最大拉應力曲線如圖4所示，路面結構最大主應力隨路面深度變化曲線如圖5所示，不同差異沉降下路面最大拉應力結果見表2。

由圖4和表2可以看出，路面結構最大拉應力隨差異沉降的增長呈正相關變化關系，最大差異沉降從2 cm變化到10 cm，即變坡率由0.1%增長到0.5%時，面層最大拉應力由0.28 MPa增長到1.41 MPa，底基層最大拉應力由0.03 MPa變為0.21 MPa。差異沉降相同時，瀝青路面結構受拉應力大小關系為面層gt;基層gt;底基層。

由圖5可以看出，不同路基最大差異沉降下路面結構最大主應力沿深度方向變化趨勢一致。由底基層底面到面層頂面，路面最大主應力基本表現為線性變化，底基層壓應力隨之降低，在基層某范圍處由拉應力轉為拉應力，且面層頂面拉應力最大。依據《公路瀝青路面設計規范》[10]，對于路面材料的劈裂強度，面層和基層分別為1.15 MPa和0.65 MPa。根據數值模擬結果，當差異沉降為10 cm時，面層受到1.41 MPa的拉應力；差異沉降為8 cm時，最大拉應力降至1.13 MPa，線性插值可得差異沉降為8.14 cm時，面層拉應力達到極限狀態，路面可能出現破壞。當差異沉降為8 cm和6 cm時，基層所受拉應力為0.78 MPa和0.59 MPa，計算得差異沉降為6.63 cm時，基層拉應力達到極限狀態。有限元計算結果可知底基層在不同最大差異沉降時受到的最大拉應力均很小，遠低于基層的劈裂強度。

由此可得，對于不同情況的路基差異沉降，基層所受拉應力均最先接近臨界狀態。因此，根據不同差異沉降下路面結構的力學響應特征，以基層破壞時的應力作為沉降控制指標，即瀝青路面能抵抗6.63 cm的最大差異沉降，對應的變坡率為0.35%。

3.2 路面結構疲勞破壞分析

高速公路改擴建新舊路基差異沉降發展較為漫長，路面結構層的應力狀態不斷變化。以路面結構層的最大拉應力作為判定面層是否破壞，只考慮了路面的短期行為。在交通荷載的長期循環作用下，路面材料的容許應力出現明顯衰減。《公路瀝青路面設計規范》[10]規定瀝青路面的應力控制標準：結構層所受最大拉應力不能超過材料的容許應力，即

式中：Ac為等級系數，高速公路取1.0；Aa為瀝青混合料級配系數；Ne為單車道總計當量軸次。由上式計算可得路面結構面層容許拉應力分別為0.30 MPa，基層為0.29 MPa，根據有限元計算結果，線性插值可得最大差異沉降為2.14 cm時，面層拉應力極限狀態；差異沉降為2.95 cm時，基層拉應力達到極限狀態。以路面材料疲勞破壞時的應力作為沉降控制標準，即差異沉降最大值為2.14 cm，此時的變坡率為0.11%。

4 差異沉降控制標準分級

道路通車運營后，拓寬路基的沉降控制標準應綜合考慮材料的抗拉強度和疲勞特性。路面材料的強度衰減是路面變形的主要原因，取權重系數為6；考慮材料的抗拉強度時，取權重系數為4，計算加權平均值確定新舊路基沉降控制標準，則：

新舊路基差異沉降控制最大值為3.936 cm，對應的變坡率為0.21%。疲勞特性對應的沉降控制值最嚴，極限抗拉強度對應的沉降控制值最寬，故以容許值2.14 cm和變坡率0.11%作為控制標準的低限，以容許值6.63 cm和變坡率0.35%作為控制的高限。因此，以變坡率0.10%為沉降控制的下界，變坡率0.35%為沉降控制上界，將路基差異沉降控制標準分為輕微、低、中、高四個等級，具體分級結果見表3。

當路基最大差異沉降等級為“輕微”時，即路面結構受力狀態良好，不需處理；當最大差異沉降等級為“低”時，可對路基稍加處理；當最大差異沉降等級為“中”時，應選用合適的填筑方案以減小差異沉降；當最大差異沉降等級為“高”時，必須對路基和地基進行處理。

5 結 論

本研究結合某山區高速公路改擴建實際工程，利用有限元計算方法建立路基拓寬差異沉降控制標準。綜合考慮公路通車運營后路面材料的抗拉強度和疲勞特性，以變坡率0.10%和0.35%作為差異沉降控制標準的下界和上界，將路基差異沉降控制標準分為輕微、低、中、高四個等級。研究成果可為山區高速公路改擴建工程路基拓寬工程的設計和施工提供理論依據。

參考文獻

楊春風，苗大萍，靳燦章.城市化下的高速公路改擴建分析[J].鐵道科學與工程學報，2017，14（1）：197-204.

原濤，嚴西華.城市快速擴張背景下高速公路改擴建研究——以天津為例[J].城市發展研究，2011，18（8）：134-137.

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.

侯爵.基于流固耦合模型對京滬高速公路改擴建拓寬路基差異沉降控制標準的研究[J].北方交通，2020（9）：70-73.

王會峰.高速公路單側拓寬工程差異沉降控制標準分析[J].交通世界（工程技術），2015（8）：114-115.

楊濤，李磊，李國維.公路雙側拓寬差異沉降控制標準研究[J].公路交通科技，2014，31（5）：15-20.

葉永城，李思清，馬鵬真.佛開高速公路單側拓寬工程差異沉降控制標準研究[J].中外公路，2013，33（5）：1-4.

趙全勝， 趙冠舒， 張春會，等. 京石高速公路拓寬沉降控制標準[ J ] . 遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2012，31（1）：69-72.

陸許峰.長余高速公路拓寬路基差異沉降機理與控制標準研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

中交路橋技術有限公司.公路瀝青路面設計規范：JTGD50-2017[S]. 北京：人民交通出版社，2017.

作者簡介

張永奇，本科，工程師，研究方向為公路工程、交通土建、路基工程。

石橋，本科，助理會計師，研究方向為公路工程施工及成本控制、工程管理。

張萬茂，通信作者，碩士，研究方向為巖土工程災害防控。

張棟梁，本科，助理工程師，研究方向為公路工程。

（責任編輯：劉憲銀）