半幅填方路基差异沉降影响因素研究

胡其志，黄希程，周 红，汤立志

(1.湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068;2.湖北省高速公路实业开发有限公司，湖北武汉 430051;3.湖北省华中农业高新投资有限公司，湖北 武汉 430061)

0 引言

随着高速公路改扩建工程规模的扩大，面临的问题也会越来越多，其中高速公路加宽时新老路基差异沉降就是面临最重要的问题之一［1，2］。通过有限元软件对老路基加宽后新老路基之间差异沉降进行分析，数值模拟各种影响因素对新老路基差异产生的不同影响［3］，对路基沉降机理进行分析［4，5］，合理确定了加宽路基差异沉降的控制标准［6］。新老路基差异沉降是引起路面和路基病害的主要因素，其不仅影响了交通道路的通行能力和服务水平，而且也降低了交通车辆行驶的安全性和舒适性，严重阻碍了高速公路的快速、健康发展及其发挥的社会效益。有效保证新老路基结合部科学连接是确保半幅填方施工质量的重要内容。因此，高速公路改扩建工程中，半幅填方路基引起的新老路基差异沉降进行研究对半幅填方施工具有重要的指导意义。

论文结合湖北省武鄂高速和左段改扩建工程，利用太沙基一维固结理论对半幅填方路基的差异沉降机理进行分析，通过现场对关键断面的沉降监测并对监测数据进行处理分析，分别对不同填方方案进行对比研究，获得最佳的半幅填方技术方案，以对同类工程施工提供施工技术指导。

1 填方路段沉降机理分析

在老路加宽扩建时半幅填方路基施工，由于填方没有经过人工或机械耗功的方法进行土的压实和排水固结，新建路基固结沉降变化很大，导致新老路基的变形量差异，使加宽路基的竖向产生不均匀沉降，水平位移量增加。为了分析半幅填方路基沉降对加宽部分路基的变形影响，对填方地基总沉降量进行分析。填方地基总沉降利用e－p 曲线法计算［7］，其公式:

式中:e1i为地基中第i 层分层中心，自重应力作用下压缩至稳定时的孔隙比;e2i为地基中第i 层分层中心，自重应力和附加应力共同作用下压缩至稳定时的孔隙比;hi为地基中第i 层的原始厚度，每层厚度按hi小于或等于0.4b 计算，b 为基础宽度。

分析填方路基固结对加宽部分路基的变形影响，对地基固结度分析采用太沙基一维固结理论。

K.Terzaghi 一维固结理论用于计算饱和土层渗透固结过程中某一时间的变形。太沙基提出有效应力理论，定义了空隙压力与有效应力之和为总应力，很好解释了土体固结过程。土体内某点总应力的变化主要是孔隙水压发生改变，由于孔隙水压的减小而引起有效应力的增大。因此，土层固结的实质是孔隙水压力的降低促使有效应力的增长［8］。土体固结的产生主要有两种情况:①荷载增加，总应力变化，空隙水压的增加与透水边界的不变两者之间形成孔压差;②荷载不变，总应力不变，改变边界上孔压值［9］。

K.Terzaghi 一维固结理论是计算路基沉降变形重要方法之一，也可以计算各阶段路基的沉降变形以及最终沉降量。由规范［10］中可知计算公式为:

式中:SN为最终沉降量;St为某阶段沉降量;Ut为固结度;Nt为时间因素;Cv为土的竖向固结系数;e1为初始孔隙比;H 为土层计算厚度;K 为渗透系数;a为压缩系数;rw为水的比重。

由式(2)可知，固结度随着时间推移逐渐增加，土层变形量也随之增大即路基沉降量的增加。土体在荷载作用下空隙水压力减小产生固结度，固结度的增加使得地基土的孔隙率减少，有效应力的增加，最后导致土层产生压缩变形［11］。

2 工程案例

为了合理确定老路基加宽时新老路基差异沉降不同影响因素，现结合武鄂高速公路和左段改扩建工程进行现场沉降监测。武鄂高速(S7)位于湖北省境内，地质条件为淤泥质亚粘土、粘性土、粉砂岩等。原路基在改造时在长期路堤荷载作用下，路基土经过长时间的压实和固结排水，其固结沉降基本稳定，新加宽路基部分产生附加应力使老路基固结沉降产生变化。

地表型沉降计即沉降板用于监测地表沉降量，通过现场监测数据分析不同影响因素对半幅填方路基差异沉降变化规律，调整路基填土速率及差异沉降变化趋势，给半幅填方施工提供最佳的选择方案。地表水平位移桩即边桩用于监测地表水平位移幅度及地表隆起量，保证路堤的稳定和安全。

2.1 沉降监测

新路肩边缘与老路堤中心线间的沉降差称为新老路基差异沉降，也可以称为最大差异沉降［8］。论文研究的半幅填方路基差异沉降主要是新老路基最大差异沉降量。新老路基差异沉降监测实施步骤和计算方法与文献［12，13］类似。结合武鄂高速公路和左段实际工况，选取K17+150 ～K17+650 为典型断面做半幅填方路基差异沉降监测研究，沉降板布设在试验段中心地面和路肩处，边桩布置在路基坡脚外1 ～2 m 和10 ～12 m 处，断面监测点具体布置如图1 所示。

图1 沉降板及边桩的平面布置图

2.2 水平位移监测

边桩位移观测的方法有多种，目前应用比较多的是极坐标法和前方交会法，结合实际工况，论文采用极坐标法。极坐标法是基于全站仪进行测量边桩坐标的方法，极坐标法示意如图2 所示。

图2 极坐标法示意图

图中A－边桩，M－基点，N－后视点，I、J－后视方位检查点。根据实际工况，以首次测得边桩A的坐标数据为依据，计算边桩的位移值和坐标差［14］:

式中:x1、y1为边桩A 坐标初始值，xi、yi为以后边桩A 的即时观测坐值。以后不同时间段的观测只需要按式(6)依次求出此次坐标与初始坐标值之差，即可求出边桩在垂直边坡轴线方向和轴线方向上位移dx、dy。

3 差异沉降影响因素分析

受地质地貌和和人为因素影响，路基加宽方案、路基填土高度、路基填料等因素都会对新老路基差异沉降产生影响。通过选取典型断面做沉降观测数据分析，分别研究了半幅填方路基的加宽方式、加宽宽度、填土高度和填料重度四个方面对新老路基差异沉降的影响，寻找其内在变化规律，为路基施工提供合理依据［15］。

3.1 路基填料重度对差异沉降的影响

新建路基填料的多样性决定了路基填料重度的差异性，不同重度填料容易引起新建路基的附加应力差异变化，对新老路基差异沉降影响较大。为了说明不同路基填料重度对新老路基差异沉降影响不同，选取了3 种不同重度的路基填料铺设至典型观测断面，用来研究泡沫轻质土路基、粉煤灰土路基、一般填土路基对新老路基差异影响，且3 种填料重度分别为:4、10、17 kN/m3。不同填料重度时加宽路基的竖向沉降曲线和顶面最大差异沉降分布如图3、图4 所示，水平位移曲线分布如图5 所示。

通过图3、图4 可知，加宽路基填料重度的逐渐增加，加宽路基竖向沉降量也随之增大，加宽路基最大差异沉降为线性变化。当半幅填方路基填料的重度r=4 kN/m3，新老路基最大差异沉降为1.1 cm;r=10 kN/m3，最大差异沉降为2.3 cm;r=17 kN/m3，最大差异沉降为3.7 cm，则前两者的差异沉降增加了1.2 cm，后两者的差异沉降增加了1.4 cm，后两者的沉降明显比前两种沉降要大。很明显选用重度小的路基填料，能降低新建路基对老路基的影响。

图3 不同填料重度时加宽路基竖向沉降曲线

图4 不同填料重度时加宽路基顶面最大差异沉降

图5 不同填料重度时加宽路基水平位移曲线

通过图5 可知，半幅填方路基填料重度的逐渐增加，其地基表层的水平位移也随之增大，水平移动的规律为老路基部分水平位移向内，新建路基水平位移向外。半幅填方填料的重度由1 kN/m3增加到17 kN/m3时，老路基向内水平位移值由1.26 cm 到1.69 cm，新路基向外水平位移值由0.55 cm 到0.85 cm，如果水平位移过大容易导致新老路基结合部出现病害，即半幅填方路基结合部出现病害，将影响整体公路的稳定性。

通过上述的分析可以知道，采用泡沫轻质路堤填料比一般填土路堤填料对新路堤的自重荷载要小，对路基表面工后沉降也要小，同时也能减少新路基对老路基的附加应力影响。因此，实际的工程应用中，在满足技术标准和规范的前提下，可以选用重度较低的填料用于新建路基材料。

3.2 加宽方式对差异沉降的影响

一般情况下，高速公路加宽方式分为两种，即单侧加宽和双侧加宽。因加宽方式的不同，产生的附加应力不同，对地基沉降变化不同，对地基的差异沉降变化也不相同。为了分析不同加宽方式对半幅路基差异沉降的规律，结合工程实例，典型断面布置观测点，取路基高度为4 m，边坡为1 ∶1.5，路基填料为一般填土，用沉降板监测地表沉降量，用边桩监测地表水平位移。

3.2.1 单侧加宽

单侧加宽［16］的断面监测点的布置如图1 所示，单侧加宽取宽度为4，8，12，16 m。通过定期的监测，不同的加宽宽度时路基的竖向沉降曲线和顶面最大差异沉降变化分布如图6、图7 所示，水平位移曲线分布如图8 所示。

图6 单侧加宽不同宽度时路基竖向沉降曲线

图7 单侧加宽不同宽度时路基顶面最大差异沉降变化

图8 单侧加宽不同宽度时路基水平位移曲线

由图6、图7 可知，随着路基宽度的增加，旧路中心沉降逐步增大，路基的竖向沉降也渐渐变大，最大差异沉降变化曲线呈下凹形。当路基加宽宽度分别为4，8，12，16 m 时，旧路基中心附加沉降分别由0 增加到1.12，1.43，1.61，1，56 cm，以每增加4 m为标准，增加的幅度为27%，44%，39%，沉降趋势随宽度的变化是逐渐增大再慢慢减小。随着拓宽宽度的增加，新老路基差异沉降也逐渐增加。当路基加宽4 m，加宽路基差异沉降为5.93 cm，加宽宽度4 m 增加8 m 时，最大差异沉降增加到11.65 cm，沉降值增加了5.93 cm;当加宽宽度由8 m 增加到12 m 时，两者的最大竖向沉降值增加了4.16 cm;当加宽宽度由12 m 增加到16 m 时，两者的最大竖向沉降值增加了4.04 cm。因此，加宽路基最大竖向沉降增加量是随着路基加宽宽度的增加而逐渐减小。

由图8 可知，地表水平位移也随着宽度的增加逐步变大。当加宽宽度4 m 增加到16 m，旧路基坡脚的水平位移是逐渐向内移动，且位移量0.69 cm增加到1.14 cm，新路基坡脚的水平位移是逐步向外侧移动，并且位移量0.14 cm 增加到0.78 cm。由此可以知道单侧路基加宽时，水平位移量较大，要严格控制新建路基的填土速率。

如果定义4 m 为增加一个车道宽数，则8、12、16 m 为增加2 个、3 个、4 个车道。从上述研究可以看出，当宽度增加为8 m 时，路基差异沉降较小，水平位移最为合理，因此公路加宽时，选择加宽8 m 即2 个车道最为合适。

3.2.2 双侧加宽

双侧加宽［17］的监测点布置与单侧加宽类似，双侧加宽取宽度为4，8，12，16 m，由于路基结构对称性，分配到路基两侧时，每侧的加宽宽度为2，4，6，8 m。不同的加宽宽度时路基竖向沉降曲线分布和路基顶面最大差异沉降如图9、图10 所示，水平位移曲线分布如图11 所示。

由图9 ～图11 可知，双侧加宽填方路基的竖向沉降曲线、最大差异沉降、地表水平位移规律与单侧加宽基本相同。比较单侧加宽不同的是，在加宽宽度相同时，双侧加宽的新老路基最大差异沉降较小。这是因为双侧加宽加载时，产生的附加应力均匀的分配到旧路基两侧，形成了整体的沉降，从而减小了新老路基差异沉降。

图9 双侧加宽不同宽度时加宽路基竖向沉降曲线

图10 双侧加宽不同宽度时路基顶面最大差异沉降变化

图11 双侧加宽不同宽度时加宽路基水平位移曲线

对比两种加宽方式，两者各有利弊，在宽度增加相同的情况下，双侧加宽更有利于路面结构受力。但是，一般情况下双侧加宽比单侧加宽对道路运营的干扰比较大、增加施工难度和工程造价。

3.3 路堤高度对差异沉降的影响

不同路段的路堤高度不同，路堤自身重量对地基的影响也有差异，路堤越高，不均匀沉降越严重。为了分析不同路基高度对半幅路基差异沉降的影响，选取路基加宽宽度为8 m 的路段作为监测断面宽度，边坡为1 ∶1.5，路基填料为一般填土，分阶段监测路基高度分别为2、4、6、8 m 时加宽路基竖向沉降、路基顶面最大差异沉降位移曲线图如图12 ～图14 所示，断面的监测点布置如图1 所示。

由图12、图13 可知，新建路基填土越高，加宽路基竖向沉降变大，新老路基差异沉降越大。当填土高度为2、4、6、8 m 时，新老路基最大差异沉降为7.1、12.9、20.1、23.2 cm，两两差异沉降增加量为5.8、7.2、3.1 cm。可以知道，随着路基填土高度的增加，路基最大差异沉降曲线接近s 形，且s 形沉降曲线不是对称的。随着路基高度逐步增加，旧路基变形曲线差距就越明显，加上新路基自重，引起差异沉降增加先逐步变大再慢慢变小，并且最大沉降点有向外侧移动的趋势。

图12 不同填土高度时加宽路基竖向沉降曲线

图13 不同填土高度时加宽路基顶面最大差异沉降变化

图14 不同填土高度时加宽路基水平位移曲线

由图14 可知，地表的水平位移随着填土高度的增加而增加，新路基地表的水平位移比旧路基地表的水平位移影响要大。不同填土高度的新路基坡脚水平位移向外移动的幅度为93%、58%、22%，旧路基坡脚水平位移向内移动幅度为63%、41%、11%，水平位移的幅度过大可能会引起新旧路基结合部产生滑移的现象。因此，在实际工况中，当路基填土高度过大时，要采取“缓边坡”或提高路基压实度来控制差异沉降和水平位移，保证公路整体稳定性。

综上所述，影响新老路基差异沉降的因素是多方面的，论文结合实际工程，仅从加宽方式和宽度、加宽填土高度以及加宽填土填料重度几个方面进行分析，对差异沉降分析有一定的理论指导作用。分析结果可知，竖向沉降值方面:加宽宽度影响最大，填料重度影响最小;水平位移方面:填土高度最大，加宽方式最小［18］。

4 建议

通过上述分析，现对老路基加宽时半幅填方施工提出几点建议。

1)采用重度小的轻质土作为填方填料。在保证工程质量的情况下，填土材料容重选择上，科学的选用重度较小的轻质土;轻质路堤不仅对新老路基差异沉降影响较小，而且节省工程造价。

2)建议道路加宽8 m，即增加两车道为佳。宽度增加8 m 时，路基差异沉降较小，水平位移最为合理。

3)路基的宽度加宽较小时可以采用单侧加宽方式，宽度加宽较大时可以选择双侧加宽。单侧加宽对道路交通干扰较小，利于施工;双侧加宽对整体路基沉降较小，对路面结构破坏小。

4)加宽路基高度6 m 最为合适。当填土高度高于6 m 时，差异沉降和水平位移幅度都较大，新老结合部产生滑移的可能性变大，对边坡稳定极为不利。

5)填方施工要点。土方回填后其压实度与压实机械所耗功有关，对于砂土碾压2 ～3 遍，亚砂土3 ～4 遍，黏土5 ～6 遍等。在一定压实度情况下含水率不应过大，每层填土厚度应控制在30 ～40 cm最佳。

5 结论

从沉降、水平位移全面分析了新老路基差异沉降的特性。减小路基差异沉降的方法有很多种，可以根据合理的加宽方式和加宽宽度、控制加宽路基高度、合适的路基填料等，保证交通车辆在公路上安全行驶。

1)合理选择加宽方式。单侧加宽和双侧加宽各有利弊，相同加宽宽度下单侧加宽的路基沉降和差异沉降都要比双侧加宽小，同时工程造价及施工难度较低，但是双侧加宽更有利于路面结构受力，对路面整体稳定性要好。

2)随着新建路基宽度增加差异沉降逐渐变大，最大沉降点慢慢向路中心靠拢，地表层的水平位移也逐步变大，这样增加了新老路基结合部产生病害的几率。加宽宽度还能为设计公路车道数增加提供可靠的依据。

3)加宽路基高度对新老路基差异沉降影响较大。新老路基差异沉降随着新筑路基的填土高度阶段性的增加先逐渐变大后慢慢变小，呈S 形，最大沉降量也随之增大且最大沉降点的位置变动很小。

4)路基填料重度的不同对新老路基差异沉降影响较大。路基填料重度越大，差异沉降越大，采用泡沫轻质路堤填料比一般填土路堤填料对差异沉降的效果要好。

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