廣西某高速公路路基拓寬變形特性及加固措施研究

關鍵詞：高速公路改擴建；路基拓寬；差異沉降；土工格柵；管樁加固中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.010文章編號：1673-4874（2025）03-0036-03

0 引言

隨著我國基礎建設的不斷推進，高速公路交通網絡已經基本完善。但是經濟的飛速發展使車流量不斷增加，交通壓力不斷提升，現有的高速公路已經無法滿足日益增長的交通需求[1。因此，對現有高速公路進行改擴建變得尤為重要，以達到提升道路通行能力，確保交通的順暢與安全的目的[2]。

然而，在改擴建過程中，新舊路基之間的差異沉降問題逐漸顯現，成為影響道路穩定性和使用壽命的關鍵因素[3。對此，大量學者進行了深入研究。李立等4基于離心機試驗研究了不同樁承式加筋土結構時，路基拓寬工程外部變形和內部受力特征。葉觀寶等[5采用離心機試驗研究了不同拓寬方式對軟土路基的變形、地基孔壓和土壓的影響。賈寶新等6通過建立三維有限元數值模型，深入分析了導致新舊路基差異沉降的因素。

本文針對廣西某高速公路改擴建工程，利用FLAC3D軟件建立三維計算模型，深入分析了其新舊路基的變形特性，并提出了相應的加固措施，研究成果可為類似工程提供參考。

1工程概況及數值模型

1.1工程概況

廣西某高速公路是連接廣西北部灣經濟區核心城市的重要交通要道，其改擴建工程對于促進經濟帶的形成、改善投資環境和完善港口公路網具有極為重要的意義。該改擴建區域地勢平坦，起伏變化相對較小，但地質條件復雜，海相軟土分布廣泛且深度較大。當地屬于亞熱帶季風性氣候，雨水充沛，水資源豐富，地下水系發達，地表徑流分布不均。

該高速公路的舊路為雙向四車道，已經運營多年，路基邊坡基本處于穩定狀態，無明顯裂縫，但存在填土松散、坡面局部沖刷嚴重以及防護骨架不緊密等問題。此外，由于養護不到位和垃圾堆棄等原因，坡面排水存在一定問題，導致雨水下滲現象較為嚴重。

為緩解交通壓力、提升交通量，需要對原高速公路局部區域進行拓寬處理，新路設計為雙向八車道。由于既有路基運營時間較長，在自重和反復車輛荷載的作用下固結沉降已完成，而新路基則可能帶來較大的附加應力，致使其發生進一步沉降變形；同時，新路基會因自重導致路基本體和地基發生較大的沉降變形。因此，兩者之間存在明顯的差異沉降，需要對高速公路拓寬變形特性進行深入研究。

1.2數值模型

舊路基總寬度為 26m ，高度為 4m ，坡度為 1：1.5 雙側拓寬后，新路基總寬度為 42m. ，為研究路基拓寬后的變形特性，本文根據實際工程情況，利用FLAC3D軟件進行仿真計算。由于路基為左右對稱結構，以路基中心線為軸，取其半側建立模型，如圖1所示。

設置模型下表面為全約束，模型四周為水平約束，模型上表面為自由邊界。模型總寬度為40m，路基高度為 4m ，地基高度為25m，厚度為 4m 。采用摩爾-庫侖本構模型，材料厚度及參數如表1所示。

2新舊路基變形特性

對舊路基進行初始地應力平衡計算，并分層填筑新路基，得到路基和地基表面沉降變形情況如圖2所示。

由圖2（a）可知，隨著新路基的填筑，新舊路基表面沉降值均不斷增大。每層填筑時，路基表面沉降變形的總體變化規律基本一致，表現為先隨著離路基中心軸的距離變大而不斷增大，后有所減小，呈現出類似“勺子”的形狀。其中，舊路基中心位置沉降變形小，路肩位置沉降變形大，總體沉降相對較小；新路基表面沉降變形更為明顯。這主要是因為舊路基在長期自重和車輛荷載作用下，已完成固結沉降，新路基的附加應力對其影響不顯著，而新路基受自重影響產生了較大的變形。

隨著填筑層數的增加，路基表面沉降最大處不斷向中心軸靠近，第一層路基填筑時，路基表面沉降最大值在距中心軸21m處，而最后一層路基填筑時，路基表面沉降最大值在距中心軸20m處。這主要是由新路基的形心不斷向內移動導致的。

由圖2（b）可知，隨著新路基的填筑，地基表面的沉降值不斷增大。但每層填筑時，地基表面變形的總體規律基本保持一致，表現為先增大，后減小，呈現出“V\"形。

地基表面沉降最大值位置也隨著新路基填筑的進行不斷向路基中心軸方向移動。第一層新路基填筑時，地基表面沉降最大值在距中心軸21m處，在最后一層路基填筑時，地基表面沉降最大值在距中心軸20m處，其變化與路基表面最大沉降值變化基本一致，故其原因也一致。

路基填筑過程中的剪應力變化如圖3所示。由圖3可知，新舊路基交界的臺階，其兩側剪應力差異較大，存在明顯的應力集中現象，屬于整個路基結構的薄弱環節，在外部荷載作用下極易發生破壞，可能導致新舊路基不均勻沉降，從而影響道路的平整度和行車舒適度。

觀察圖3中剪應力的變化可知，填筑初期，舊路基內部正剪應力最大，而隨著新路基填筑的不斷進行，最大正剪應力逐漸向新路基坡腳處轉移，且新舊路基的坡腳之間存在明顯的剪應力貫通區，最大負剪應力出現在新路基靠近交界面處，隨著填筑的進行而不斷上移。

3控制加固措施

由前述可知，在不做處理的情況下，新路基填筑會造成較為明顯的新舊路基差異沉降，其交界臺階存在受力差異，可能導致路基破壞，進一步引發路面出現坑槽、裂縫等病害，嚴重影響高速公路的性能，并可能造成行車事故。

為減小新老路基的差異沉降，提高其交界臺階處的銜接能力，本文提出鋪設土工格柵和處理地基等措施進行處理，并采用數值仿真計算對其控制效果進行分析。

在新舊路基拓寬工程中，常采用鋪設土工格柵的方式控制差異沉降。土工格柵具有高強度的拉伸性能，可以分散荷載，有效提高路基承載力和抗剪強度，減小局部應力集中，從而降低新舊路基交界處的受力差異，控制新舊路基差異沉降，增強路基的整體性。

所采用土工格柵厚度為0.1m，容重為18. 0.1×N/m³ .楊氏模量為 80MPa ，拉伸強度為60KN，橫向拉伸力為301×N 為研究其寬度對路基表面沉降的影響，本文對土工格柵寬度分別為 4m.6m.8 m的三種工況進行研究。

由于各工況下路基表面沉降值變化不明顯，故繪制其與無土工格柵工況下的沉降差值如圖4所示。由圖4可知，王工格柵的存在對舊路基的影響較大，隨著土工格柵的寬度增大，舊路基表面的沉降差值不斷減小，而新路基表面的沉降差值則不斷增大，兩者之間的差異沉降有所減小。

各工況下土工格柵的剪應力分布如圖5所示。由圖5可知，當土工格柵寬度為4m時，最上層格柵承受的剪應力最大，而隨著土工格柵寬度的增加，剪應力最大處逐漸轉移到中層土工格柵。由此可見，土工格柵的存在可以使得新舊路基內部應力更加均勻，整體性增強。

由此可知，雖然土工格柵不能明顯減小新舊路基的差異沉降，但是可以使新舊路基內部剪應力分布更為均勻。綜合考慮安全性和經濟性認為，該工程土工格柵寬度為6m時最為合適。

針對上述結果，采用6m寬度土工格柵的工況，取長為13m、直徑為0.5m、間距為2.5m的管樁對地基進行處理。管樁采用樁單元進行模擬，其重度為25 kN/m³ ，彈性模量為 2×10⁴MPa ，泊松比為0.3。處理與未處理工況下，路基表面沉降變形如圖6所示。由圖6可知，增設管樁后，路基表面沉降值有明顯減小，且新舊路基差異沉降也有明顯降低。

4結語

本文依托廣西某高速公路改擴建工程，研究了新舊路基拓寬過程中的變形特性及相應的加固措施，利用FLAC3D軟件進行數值仿真計算分析，得出如下結論：

（1）新舊路基表面沉降值呈“勺子\"形分布，地基表面沉降值呈“V\"形分布，其最大值均隨著新路基形心的變化而逐漸向路基中心軸靠近；新舊路基存在較為明顯的差異沉降，兩者交界處存在限制的應力差異，可能引發路基破壞、路面病害等問題，嚴重影響道路性能和行車安全。

（②分析認為，當土工格柵寬度為 4m，6m，8m 時，從路基表面沉降差值和土工格柵剪應力的變化可知，鋪設土工格柵對新舊路基差異沉降的影響較小，但是能使路基內部剪應力分布均勻，增強其整體性。綜合經濟性和安全性認為6m寬的土工格柵最為合適。

（3）在增設土工格柵的基礎上，使用管樁對地基進行處理可以進一步減小新舊路基表面的沉降變形，顯著減小兩者差異沉降。

參考文獻

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[6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.