國道拓寬路基不均勻沉降及敏感性分析

李德臣

摘要 公路拓寬工程極易出現(xiàn)路基不均勻沉降現(xiàn)象，影響道路行車安全。文章依托某工程實例，通過數(shù)值模擬手段分析了拓寬路基的變形規(guī)律和主要影響因素。結果表明：舊路基中心線位置存在較為明顯的隆起變形，隨著距離道路中心距離的增加，路基頂面變形逐漸由隆起變形向沉降變形過渡，曲線呈“勺狀”。路基頂面沉降與路基填筑高度和拓寬寬度呈現(xiàn)正相關關系，且新、舊路基交界處曲線斜率增幅最為顯著。路基彈性模量并非引起路基頂面沉降現(xiàn)場的主要影響因素。地基壓縮模量對路基頂面沉降影響最為顯著，地基壓縮模量越高，拓寬路基頂面沉降變形越小。在實際工程中，應考慮拓寬路基的地基部分以壓縮模量參數(shù)，做好現(xiàn)場勘測并根據(jù)實際情況采取必要的地基處理措施。

關鍵詞 公路拓寬；路基沉降；數(shù)值模擬；有限元方法

中圖分類號 U416文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0084-03

0 引言

隨著我國基建行業(yè)的發(fā)展和交通運輸行業(yè)的需要，公路拓寬工程要求越來越高，而由于拓寬后新、舊路基的差異，拓寬后的路基極易發(fā)生不均勻沉降，影響道路安全和正常運營，為此許多研究人員進行了一系列研究。

張素霞[1]依托山西晉中高速公路擴建工程，通過有限元方法對拓寬路基變形規(guī)律進行了研究，分析了拓寬路基穩(wěn)定后的路面結構變形特性。段丹軍和楊烜宇[2]開展了離心模型試驗，考慮了降雨的影響，研究了典型黃土路基拓寬后在降雨作用下的變形情況。李麗華等[3]通過土工合成材料對高速公路拓寬路基進行了加固，并考慮了動力荷載的作用，采用數(shù)值模擬手段研究了高速公路加筋拓寬路基的動力響應規(guī)律和變形特性。葉觀寶等[4]通過開展離心模型試驗對比研究了不同拓寬方式下軟土路基內(nèi)力分布和變形規(guī)律的差異，并通過Boussinesq公式計算了拓寬路堤引起的地基附加應力。祝建華等[5]采用了鋼絲網(wǎng)對拓寬路基新舊路基結合處進行了加筋，通過數(shù)值模擬手段對比了多個加筋方案下拓寬路基的差異沉降和力學響應規(guī)律。許正璇[6]依托某穿越鹽漬土區(qū)公路的線路路基拓寬建設工程，探討了鹽漬土區(qū)公路路基拓寬溶陷變形控制關鍵技術，并根據(jù)高地下水位鹽漬土區(qū)的防溶陷需求給出了線路阻水措施。

在該文中，依托某工程實例，通過有限元數(shù)值軟件建立了公路拓寬路基仿真模型，分析了拓寬路基寬度、填筑高度、路基彈性模量和地基壓縮模量等因素對路基變形的影響。該文的研究成果可為相似公路拓寬工程提供一定的指導和借鑒作用。

1 工程概況

該文依托某國道拓寬工程，該工程原路基寬度為25 m，設計車道為4車道，拓寬路基寬度為8 m，拓寬后為6車道，路基高度為6 m，坡度1∶1.5，采用臺階法對新路基施工。如表1所示，給出了該項目土層物理力學參數(shù)。為探討拓寬路基沉降變形的主要影響因素，對該國道拓寬路基項目進行了有限元計算分析。

2 拓寬路基數(shù)值模型

2.1 模型參數(shù)

根據(jù)工程實際情況，采用有限元數(shù)值軟件建立了拓寬路基仿真模型，模型尺寸設為60 m×15 m×30 m（長×寬×高），原有路基寬度設為25 m，拓寬路基寬度設為8 m，路基高度設為6 m，坡度設為1∶1.5。計算參數(shù)均參照表1進行取值，具體采用摩爾—庫倫模型模擬。

邊界條件方面，根據(jù)工程實際情況與相關模擬研究，模型底部設為固定邊界條件，四周設為法向約束條件，頂部和坡面設為自由約束條件。在進行網(wǎng)格劃分時，考慮計算效率，為確保計算結果的精確性，對新、舊路基交界面位置處進行了局部的網(wǎng)格加密處理，共劃分出312 845個10節(jié)點有限元網(wǎng)格，該拓寬路基模型的有限元網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

2.2 交通荷載

依據(jù)現(xiàn)行的公路規(guī)范，單軸—雙輪組合荷載取100 kN，輪壓取0.7 MPa，靜力等效荷載通過式（1）進行計算：

式中，p1——施加于路面的外部荷載；p2——施加于路基頂部的荷載；d1——路面頂部等效當量圓的半徑，根據(jù)工程實際情況，該文取0.22 m；d2——路基頂部等效當量圓的半徑，該文取1.35 m。經(jīng)計算，該文計算采用的路基頂部等效交通荷載p2為16.5 kPa。

3 參數(shù)敏感性分析

3.1 拓寬寬度

為研究拓寬寬度對路基頂面沉降變形的影響，以2 m為步長，對6～12 m路基拓寬寬度工況下的路基頂面沉降變形分別進行了模擬計算。如圖2所示，展示了路基不同拓寬寬度工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖2可以看出，舊路基中心線位置路基頂面出現(xiàn)了較為明顯的隆起變形，且該隆起變形數(shù)值與路基拓寬寬度呈現(xiàn)正相關關系，路基拓寬寬度越大，舊路基隆起變形越明顯。隨著距離道路中心距離的增加，路基頂面變形逐漸由隆起變形向沉降變形過渡，隨著“距離”增加，沉降變形呈現(xiàn)單調(diào)上升規(guī)律，直到接近邊緣位置出現(xiàn)較小幅度的回落，曲線呈“勺狀”。拓寬6 m工況下，路基沉降變形峰值為6.2 cm；拓寬8 m工況下，路基沉降變形峰值為8.3 cm；拓寬10 m工況下，路基沉降變形峰值為10.1 cm；拓寬12 m工況下，路基沉降變形峰值為11.8 cm。由此可見，拓寬路基寬度越大，路基沉降變形越顯著，在實際工程中，可采用雙側拓寬的方式或其他措施進行應對。

3.2 路基高度

為研究路基填筑高度對路基頂面沉降變形的影響，以2 m為步長，對4～10 m路基填筑高度工況下的路基頂面沉降變形分別進行了模擬計算。如圖3所示，展示了路基不同填筑高度工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖3可以看出，路基填筑高度4 m和6 m工況下舊路基頂面出現(xiàn)了隆起變形。沉降變形方面，路基頂面沉降與路基填筑高度呈現(xiàn)正相關關系，路基填筑高度越大，路基頂面沉降變形越明顯。路基頂面沉降隨與舊路基中心線的距離增加而單調(diào)增大，但增加速率呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，在新、舊路基交界處曲線斜率增幅最為顯著，因此，在實際工程中，應著重考慮該位置處的加固。

3.3 路基彈性模量

為研究路基彈性模量對路基頂面沉降變形的影響，以5 MPa為步長，對30～50 MPa路基彈性模量工況下的路基頂面沉降變形分別進行了模擬計算。如圖4所示，展示了路基不同彈性模量工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖4可以看出，路基彈性模量對路基頂面沉降影響并不明顯，各工況主要差異體現(xiàn)在路肩位置處，且各工況沉降隨道路中心線距離的變化規(guī)律一致。路基彈性模量與頂面沉降呈現(xiàn)負相關關系，路基彈性模量越高，路基頂面沉降越小。整體而言，路基彈性模量并非引起路基頂面沉降現(xiàn)場的主要影響因素，雖然增加路基彈性模量能降低沉降變形和差異沉降，但效果不是很明顯。在實際工程中，可根據(jù)實際情況在合理的經(jīng)濟范圍內(nèi)，采用提高壓實度的方式提高路基彈性模量，以改善路基沉降變形。

3.4 地基壓縮模量

為研究地基壓縮模量對路基頂面沉降變形的影響，以2 MPa為步長，對4～12 MPa地基壓縮模量工況下的路基頂面沉降變形分別進行了模擬計算。如圖5所示，展示了地基不同壓縮模量工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖5可以看出，相對于路基彈性模量，地基壓縮模量對路基頂面沉降影響更為顯著。對比各工況發(fā)現(xiàn)，地基壓縮模量越高，拓寬路基頂面沉降變形越小，兩者為負相關關系。地基彈性模量為4 MPa工況下，路基頂面沉降變形峰值為11.6 cm，最大差異沉降為12.3 cm；地基彈性模量為12 MPa工況下，路基頂面沉降峰值為6.5 cm，最大差異沉降為7.1 cm，相較于前者，沉降值降低了43.96%，差異沉降降低了42.28%，可見效果極為明顯。因此，在實際路基拓寬工程中，應考慮拓寬路基的地基部分壓縮模量參數(shù)，做好現(xiàn)場勘測并根據(jù)實際情況采取必要的地基處理措施。

4 結論

為研究公路拓寬路基沉降變形規(guī)律與影響因素，該文依托某公路拓寬工程，通過有限元數(shù)值軟件建立了公路拓寬路基仿真模型。基于此，分析了拓寬路基寬度、填筑高度、路基彈性模量和地基壓縮模量等因素對路基頂面沉降的影響。得出主要結論如下：

（1）舊路基中心線位置存在較為明顯的隆起變形，隆起變形與路基拓寬寬度呈現(xiàn)正相關關系。隨著距離道路中心距離的增加，路基頂面變形逐漸由隆起變形向沉降變形過渡，直到接近邊緣位置出現(xiàn)較小幅度的回落，曲線呈“勺狀”。

（2）路基頂面沉降與路基填筑高度和拓寬寬度呈現(xiàn)正相關關系，且新、舊路基交界處曲線斜率增幅最為顯著。實際工程中，可考慮采用雙側拓寬和結合面加固等方式進行改善。

（3）路基彈性模量并非引起路基頂面沉降現(xiàn)場的主要影響因素，雖然增加路基彈性模量能降低沉降變形和差異沉降，但效果并不明顯。可根據(jù)實際情況，在合理的經(jīng)濟范圍內(nèi)采用提高壓實度的方式提高路基彈性模量，以改善路基沉降變形。

（4）相對于路基彈性模量，地基壓縮模量對路基頂面沉降影響更為顯著，地基壓縮模量越高，拓寬路基頂面沉降變形越小，地基壓縮模量為12 MPa工況較4 MPa工況沉降峰值降低了43.96%，最大差異沉降降低了42.28%。

參考文獻

[1]張素霞. 高速公路路基拓寬變形規(guī)律及對路面結構影響分析[J]. 山東交通科技， 2022（6）： 120-123.

[2]段丹軍， 楊烜宇. 降雨入滲對黃土拓寬路基變形影響的離心模型試驗[J]. 交通科學與工程， 2023（4）： 17-23+46.

[3]李麗華， 康浩然， 鄭志剛， 等. 移動荷載作用下既有高速鐵路路基拓寬計算分析[J]. 科學技術與工程， 2023（5）： 2131-2139.

[4]葉觀寶， 葛敬文， 許言， 等. 拓寬方式對軟土路基工程特性影響的離心模型試驗[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2022（3）： 112-117.

[5]祝建華， 呂茂豐， 查旭東， 等. 鋼絲網(wǎng)加筋新老路面結合部抗拓寬路基差異沉降的數(shù)值模擬[J]. 長沙理工大學學報（自然科學版）， 2021（4）： 1-8.

[6]許正璇. 青海省鹽漬土區(qū)公路路基拓寬溶陷變形控制關鍵技術研究[J]. 公路工程， 2022（4）： 117-123.