公路改扩建工程路基加宽稳定性及控制技术研究

摘要 路基加宽过程中对路基和地表沉降的控制直接关系到施工安全和工程质量。构建路基加寬模型对路基加宽过程进行模拟研究，通过数值模拟对路基加宽变形影响因素进行研究，分析路基加宽过程中影响路基加宽的主要因素。研究结果表明：单侧加宽与双侧加宽对原路基范围内的影响规律基本相同，但相较于双侧加宽，单侧加宽对路基表面沉降影响较大，但沉降规律基本相同。地基表面沉降最大值远超双侧加宽最大值，且单侧加宽坡脚水平位移最大值为双侧加宽的2.3倍;增加路肩挡土墙的工况对降低路表沉降具有很好的效果，但低路基适合采用新路基增加路肩挡土墙的工况，路肩挡墙可以减少土填加，使新增路基填土水平荷载均匀分布于路基和路肩墙上，从而提高路基的稳定性。关键词 路基加宽;双侧加宽;路肩挡墙;变形;数值模拟

中图分类号 U418.8文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）11-0100-03

引言

随着家用车的大量普及，原有道路路基已不能承受交通量的飞速增长，解决措施有新建道路以及加宽原有道路，对于低等级公路和城市道路，从经济性角度考虑，道路加宽是目前较为普遍的解决措施。对于路基加宽，国内外学者做了大量相关的研究：傅珍[1]以某公路改建工程为研究对象，构建了ANSYS路基加宽模型，从路基加宽的措施、路基加宽的宽度以及路基高度三个角度分析了路基加宽对路基变形的影响;高志伟[2]以河北省某公路建设为背景，通过构建路基沉降的有限元模型分别从路基填土、路基填筑高度、路基边坡坡率、路基施工等角度分析路基变形规律并做出预测;朱瑞钧等[3]通过研究吉林省某公路加宽扩建工程，在现场实验测得实验参数的基础上，构建了ANSYS模型预测路基未来的沉降值，通过与现场实测数据对比，误差较小，模型具有较好的模拟效果。张大伟[4]以内蒙古某公路建设为依托，构建了ANSYS数值模型，分析了路基加宽填料、原有路基物理力学性质、加宽施工措施对路基沉降以及不均匀沉降的影响。宋文佳[5]通过构建ADINA模型分析了地基物理力学参数、填料性质、加宽路基底部预应力桩、垫层等因素对路基改扩建工程沉降的影响。刘飞飞[6]通过构建数值模型，分析了车辆荷载作用对加宽路基工程沉降的影响。

基于以上的研究成果可知，加宽路基工程的沉降受路基高度、路基加宽施工措施、路基支挡、土工材料使用等因素的影响。在以上研究成果的基础上，通过构建路基加宽数值分析模型分析影响路基变形的因素。

1 工程概况

以某二级公路的某个施工段为研究对象，原有道路地基条件良好。施工段拟采用原有路基加宽的方式施工，该施工段为双向四车道，路基主要为填方路段，边坡填方高度较低，原路基宽18 m，平均填方高度为5 m，对于高填方路段，为减小放坡对周围土地的占用，施工中计划采用挡土墙护坡。全路段设计为双侧路基加宽，当路基受特殊条件限制时可采用单侧加宽的方式。

加宽后的路段路基宽度为31.5 m，双向四车道，设有中央分隔带，设计时速为80 km/h，单侧道路范围内包括：1 m的中央分隔带，左侧路缘带0.5 m，单个行车道宽为3.75 m，共计7.5 m，右侧路缘带0.5 m，右侧分隔带宽度为1.5 m，在道路右侧设有人行道路及非机动车道，宽度为4 m，以及最右侧布置有0.75 m的土路肩。

2 三维数值模型

根据地质条件以及工程概况，利用构建路基加宽模型对路基加宽过程进行模拟，由于路基模型的纵断面尺寸较大，可以将模型简化为二维横断面进行研究，采用摩尔—库伦理论对土体进行研究。

因道路已运营多年，土体和路基沉降已稳定。因此为研究加宽部分路基的影响，软件中对原有土体和路基设置地应力平衡，设置其初始位移为0，在此基础上再进行加载分析。选用路基底部深度20 m，宽度100 m范围作为研究对象，模型中原路基宽为18 m，加宽后的路基宽为31.5 m，路基高6 m，路基边坡坡度为1∶1.5。

3 影响因素分析

土路基加宽变形受多种因素的共同作用影响，其中包括：路基加宽方式、路基高度、路基填土性质、地基土性质等，重点分析路基加宽方式对路基沉降影响。

3.1 路基加宽方式的影响

路段设计加宽方式为双侧路基加宽，当路基受特殊条件限制时可采用单侧加宽的方式，现对比分析单侧加宽与双侧加宽对路基沉降的影响（图1），单侧加宽构建模型为路基右侧加宽13.5 m，双侧加宽构建模型为路基双侧各加宽6.75 m。

图1（a）所示为单侧加宽与双侧加宽的情况下路基的沉降曲线，单侧加宽与双侧加宽对原路基范围内的影响规律基本相同，但单侧加宽对路基沉降的影响较大，由于原路基范围内沉降基本完成，沉降规律基本相同。在右侧加宽区域，单侧加宽的沉降值较双侧加宽的沉降值有很大幅度的增长，由于新加宽路基较为不稳定，且受到单侧加宽的不平衡荷载作用，加宽路基段出现较大幅度的沉降。

图1（b）为单侧加宽与双侧加宽的情况下地基表面的沉降曲线，在双侧加宽情况下，地基表面的沉降曲线呈现倒“M”形，在加宽后路基的路基边缘出现最大值。在单侧加宽情况下，路基中心线左侧地基表面基本不出现沉降，路基中心线右侧地基表面的沉降呈现先增大后减小的变化趋势，且沉降值的最大值约为双侧加宽最大值的两倍。

图1（c）为单侧加宽与双侧加宽的情况下新路坡坡脚在深度方向上的水平位移，单侧加宽与双侧加宽的影响曲线均呈现先增大后减小的变化趋势，在基础顶面12 m左右出现最大值，单侧加宽坡脚水平位移的最大值是双侧加宽坡脚水平位移的最大值的2.3倍。

对比分析三种模拟结果，在其他控制条件相同的情况下，双侧加宽较单侧加宽对路基沉降的影响更小。

3.2 路肩挡土墙对路基沉降的影响

路基形式主要为路堤结构，将分析路肩挡土墙对路基的沉降、地基表面的沉降、新路坡坡脚在深度方向上的水平位移三个方面的影响，对比无路肩挡土墙、新路基增加路肩挡土墙、原路基与新路基均具备路肩挡土墙的三种情况下对路基变形的影响，以及不同路基高度时挡土墙的作用效果。两种工况下使用的挡土墙材料参数相同：重度为21.9 kN/m?、压缩模量为4.2×106 kPa、泊松比为0.2。CB96366F-6373-4451-AE3E-2C29202A4E57

图2（a）、图2（b）分别为填土高度為2 m、4 m时三种工况下路表沉降曲线，相较于普通放坡的路基，新路基增加路肩挡土墙的工况对降低路表沉降具有很好的效果，原路基与新路基均具备路肩挡土墙的情况对降低路表沉降的效果不大，低路基适合采用新路基增加路肩挡土墙的工况。

图2（c） 为填土高度为6 m时三种工况下路表沉降曲线，相较于普通放坡的路基，新路基增加路肩挡土墙的工况对降低路表沉降和路基不均匀沉降的作用较好。在原路基与新路基均具备路肩挡土墙的工况下路表沉降出现较大幅度减小。由此可见，较高的路基适合采用原路基与新路基均具备路肩挡土墙的工况。

图2（d）为三种工况下地基表面沉降的变化图。设置路肩墙后，地基表面沉降的变化规律与无路肩挡土墙的情况类似。新路基增加路肩挡土墙的工况相较于无路肩挡土墙的工况减少了路基填土，使新增路基填土的水平方向上荷载可以均匀分布作用于原有路基和路肩墙上，从而整体减小了地基的沉降。

路肩挡墙的设置可以减少路基边坡放坡对土地的占用，还可以有效降低路基、地基的沉降。

4 结论

以某二级公路施工段为研究对象，并通过数值模拟对路基加宽变形影响因素进行分析，包括路基加宽方式、路基高度、路基填土性质、地基土性质等，由此得到路基沉降影响因素。结论如下：

（1） 单侧加宽与双侧加宽对原路基范围内的影响规律基本相同，但单侧加宽相比较于双侧加宽，对路基表面沉降影响较大，但沉降规律基本相同。地基表面沉降的最大值约为双侧加宽最大值的两倍， 单侧加宽坡脚水平位移的最大值是双侧加宽坡脚水平位移最大值的2.3倍，双加宽对路基沉降更加有利。

（2） 增加路肩挡土墙的工况对降低路表沉降具有很好的效果，低路基适合采用新路基增加路肩挡土墙的工况，较高的路基适合采用原路基与新路基均具备路肩挡土墙的工况，路肩挡墙可以有效减少填土，使得新增路基填土的水平方向上荷载可以均匀分布作用于原有路基和路肩墙上，从而整体减小了地基沉降提高路基稳定性。

参考文献

[1]傅珍.高速公路拓宽工程路基差异沉降及控制技术研究[D].西安：长安大学， 2007.

[2]高志伟.基于目标的山区高速公路差异沉降主动控制研究[D].西安：长安大学， 2009.

[3]朱瑞钧， 高谦， 齐干.深基坑支护桩周边建筑物沉降分析[J].重庆建筑大学学报， 2006（2）： 52-55.

[4]张大伟.内蒙古地区公路改扩建工程路基差异沉降控制技术研究[D].西安：长安大学， 2012.

[5]宋文佳.高速公路拓宽路基差异沉降特性与控制措施研究[D].西安：长安大学， 2013.

[6] 刘飞飞. 高速公路拓宽路基差异沉降研究[D]. 西安：长安大学， 2016.

收稿日期：2022-03-17

作者简介：周海林（1986—），男，本科，工程师，研究方向：公路工程。CB96366F-6373-4451-AE3E-2C29202A4E57