高速公路改扩建新旧路基差异沉降影响因素分析

田原

摘要 新旧路基结合处的差异沉降控制是高速公路改扩建的技术难点之一。若差异沉降值过大，会导致路基遭到破坏，影响路面结构，降低道路的使用品质，甚至危及行车安全。针对上述问题，依托某高速公路改扩建工程，应用有限差分法建立了数值计算模型，研究了不同拓宽宽度、不同填方高度、不同弹性模量和不同压缩模量4种影响因素下新旧路基不均匀沉降的变化规律，发现距旧路中心6 m范围内拓宽路基沉降较小，6～18 m范围内沉降增幅逐渐增大，新旧路基结合处尤为显著，曲线末尾出现轻微“波谷”状，最大沉降发生在拓宽路基边缘附近。研究结果表明在合理经济范围内，提高地基土压缩模量可显著降低新旧路基不均匀沉降，提高使用寿命。

关键词 道路工程;高速公路改扩建;有限差分;路基拓宽;差异沉降

中图分类号 U416.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0064-03

0 引言

我国高速公路旧路拓宽工程的设计和施工主要参照新公路的规范，但是公路改建工程相对复杂，技术方面具有一定的约束性，在面临一些实际的问题时，没办法很好地去解决处理。在现有成果的基础上，该研究依托某高速公路，开展针对不同因素影响下，旧路改扩建工程中存在的沉降差异分析，希望能够借此为相关同仁们提供参考和借鉴。

1 工程概况

某省一段高速公路线路全长41.574 km，采用4车道高速公路标准建设，连接线采用4车道一级公路标准建设，线路设计路基宽度为26 m，路面宽度为22 m。项目为双喇叭互通，受制于互通线形，匝道半径较小，大货车通行时速度较低，极易造成拥堵。此外双喇叭连接线是双向单车道，是立交系统中的重要路段，当车辆处于此区域时，需要连续变道且相互交织，极易产生较大的交通冲突和干扰，[1]须对该高速互通进行扩容改造。由于扩容改造受制于作业空间小、交通量大等因素，应尽可能考虑降低新旧路基结合处不均匀沉降的影响。为此，建立有限差分模型分析不同影响因素下新旧路基的差异沉降。

2 几何模型建立

研究主要针对高速公路拓宽工程中新旧路基的不同拓宽宽度、不同填方高度、不同路基弹性模量和不同地基压缩模量对加宽路基差异变形响应进行分析。根据该高速公路改扩建工程建立几何模型。模型尺寸为60.0 m×60.0 m×30.0 m（长×宽×高），计算模型采用半幅进行分析。其中旧路路基宽度为25.0 m，新路路基宽度为9.0 m，新旧路基高度均为6.0 m，路堤边坡坡度为1∶1.5，新路基开挖和填筑均采用台阶法施工。

3 计算结果及分析

3.1 不同拓宽宽度对路基差异沉降的影响

根据依托项目的具体情况，取道路单侧拓宽宽度6 m、8 m、10 m、12 m，分别模拟不同拓宽路基对路基不均匀沉降相应分析，具体结果如图1和图2所示。

由图1可知，随旧路路基拓宽宽度增加，新旧路基结合处不均匀沉降也增加，且随拓宽宽度增大，路基顶面的沉降量也会产生不同程度的增加。具体而言，距旧路中心6 m范围内路基顶面沉降较小，而距旧路中心一定范围（6～18 m）沉降增速较快，新旧路基衔接处沉降曲线斜率逐渐增大，且拓宽宽度的增加也会出现沉降曲线斜率增大的现象，直至接近新路边缘处斜率逐渐减小，曲线末尾出现轻微“波谷”状，最大沉降发生在拓宽路基边缘附近。

由图2可知，当拓宽路基宽度为6 m时，新旧路基最大差异沉降为6.21 m;当拓宽路基宽度为8 m时，新旧路基最大差异沉降为8. 36 cm;当拓宽路基宽度为10 m时，新旧路基最大差异沉降为10.20 cm;当拓宽路基宽度为12 m时，新旧路基最大差异沉降为11.75 cm。其中，最大差异沉降增幅（以加宽宽度6 m为基准）分别为34.62%、64.25%、89.21%。因此，在拓宽宽度为6 m、8 m、10 m、12 m时，拓宽宽度的增加会引起最大差异沉降的增大。众多工程实例表明，选取适当的拓宽宽度或适当减小拓宽路基上部土的重度，可有效缓解因应力集中而产生的不均匀沉降。

3.2 不同填方高度对路基差异沉降的影响

高速公路改扩建中不同标段的拓宽路基的填方高度不同，对下部地基的作用力也不同，进而引起的变形也存在差异。[2]因此，探究拓宽路基的不同填方高度对新旧路基差异沉降响应显得尤为重要，依托实体工程，分别对填方高度为4 m、6 m、8 m、10 m，建立有限差分模型进行数值计算，分析不同填方高度下新旧路基的不均匀沉降。填方高度由4 m增长到10 m时，距旧路中心6 m范围内沉降较小，增值较小，不同填方高度下沉降曲线趋势基本一致;距旧路中心6～12 m范围内沉降增幅缓慢增大;距旧路中心一定范围（12～18 m）内，沉降曲线增幅趋势逐渐增大，新旧路基结合处增幅更为显著，不同填方高度的改变对路基项面的沉降产生影响。当填方高度为4 m时，新旧路基最大差异沉降为6.10 cm;当填方高度为6 m时，新旧路基最大差异沉降为8.11 cm;当填方高度为8 m时，新旧路基最大差异沉降为8.52 cm;当拓宽路基宽度为10 m时，新旧路基最大差异沉降为8.82 cm。其中，最大差异沉降增幅（以填方高度4 m为基准）分别为24.78%、28.35%、30.79%。

综上所述，不同填方高度对新旧路基的影响主要发生在新旧路基结合处，通过改变不同的填方高度等效于改变地基土上部荷载，迫使路基及地基内部发生应力重分布，使得新旧路基结合处沉降增大。因此，在设计时可适当调整填方高度，以降低结合处差异沉降，满足工程实际需求。

3.3 不同弹性模量对路基差异沉降的影响

高速公路改扩建工程中选择的填筑材料往往不尽相同，且路基在不同地段的压实度、施工工艺和自然条件等因素都对路基的弹性模量造成影响。因此，通过控制其他变量，探究不同弹性模量与路基差异沉降响应分析具有一定的必要性。新路基的弹性模量在旧路基彈性模量的基础上（假定旧路基弹性模量不变）分别减少5 MPa和10 MPa、增加5 MPa和10 MPa，建立数值模型进行分析，结果如图3和图4所示。

由图3可知，沉降随新路基弹性模量的增大而减小，不同弹性模量的改变对距旧路中心较近的位置（0～6 m）的沉降影响不大，路基顶面沉降曲线增幅较小，而距旧路中心一定距离（6～18 m）的沉降影响较大，沉降曲线增幅逐渐增大，不同路基弹性模量下沉降曲线趋势基本一致。由图4可知，当新路基土弹性模量分别从减小10 MPa和5 MPa、增加5 MPa和10 MPa，最大差异沉降从8.96 cm减小到8.80 cm、8.65 cm、8.59 cm、8.51 cm，其中，最大差异沉降增幅分别为3.58%、1.73%、−0.69%、−1.62%。路基弹性模量的改变引起路基顶面的最大差异沉降改变值较小。

综上所述，路基的弹性模量并不是导致差异沉降产生的主要因素。不同弹性模量的变化对路基顶面沉降和最大差异沉降有一定程度的影响，但效果并不显著。因此，对于弹性模量较小的新路基而言，为降低新旧路基不均匀沉降，在合理的经济范围内，可采用提高拓宽路基的压实度等技术措施。

3.4 不同压缩模量对路基差异沉降的影响

高速公路改扩建工程中，旧路基下部的地基土在长时间上部车辆荷载和路基自重荷载作用下，沉降已基本稳定，而拓宽路基部分的新地基土尚未固结完成，新旧地基土二者的压缩模量差异较大。因此，很有必要分析不同压缩模量对路基差异沉降的影响。通过新地基的压缩模量在旧地基压缩模量的基础上（假定旧地基压缩模量不变）分别减少4 MPa和2 MPa、增加2 MPa和4 MPa，建立数值模型进行分析，分析结果如图5和图6所示。由图5可知，最大沉降随新路基压缩模量的增大而减小，而随压缩模量的增加，路基顶面沉降会产生不同程度的增加。在新旧路基结合处路基顶面沉降曲线斜率增大，直至接近新路边缘处斜率逐渐减小，曲线末尾出现轻微“波谷”状，最大沉降发生在拓宽路基边缘附近。

由图6知，提高地基土的压缩模量可有效控制新旧路基的不均匀沉降。当新地基土的压缩模量与旧地基土的压缩模量存在较大差异时，路基顶面产生的沉降较显著，尤其新旧路基衔接处会产生较大的差异沉降。这是因为旧路基在外荷载作用下自身固结基本完成，地基趋于稳定，而新路基压实程度较低，二者的差异性使得新旧路基结合处易产生较大的不均匀沉降，甚至可能会导致路面出现开裂或纵向裂缝等病害。因此，可适当提高新地基土的压缩模量，尤其针对软土地基等特殊地质，可采用复合地基等技术措施，从而有效控制差异沉降，避免路面下沉过速等病害的出现[3]。

4 结论

拓宽路基的不均匀沉降随拓宽宽度和填方高度的增大而增加，拓宽宽度对沉降的影响较填方高度更显著，随拓宽宽度的增加，最大差异沉降增幅最大值可达89.21%，实际工程中应尽可能选取重度较小的填土或设计合适的拓宽宽度;对比不同的路基弹性模量和地基压缩模量可得，不同路基弹性模量对路基顶面最大差异沉降的影响较小，随路基弹性模量发生改变，最大差异沉降增幅最大值仅为3.58%;對比不同的地基压缩模量可知，最大差异沉降增幅最大值为42.14%，因此，在合理经济范围内，提高地基土压缩模量可显著降低新旧路基不均匀沉降，提高使用寿命。

参考文献

[1]李立， 郑俊杰， 曹文昭， 等. 考虑地基土流变性的桩承式加筋土挡墙拓宽路基数值模拟[J]. 土木与环境工程学报， 2020（2）： 65-72.

[2]沈炜， 吕锡岭. 气泡混凝土拓宽路基的沉降特性数值分析[J]. 公路工程， 2014（3）： 241-245.

[3]方元伟. 滨莱高速公路改扩建工程路基稳定性及控制技术研究[D]. 西安：长安大学， 2019.