农村公路拼宽路基处治措施对比研究

张继炯

(山西省交通规划勘察设计院有限公司,山西 太原 030012)

山西省分布着大范围的黄土，它具有十分特殊的工程性质。目前最常见的黄土拼宽路基处治方式是开挖台阶配合格栅，但在以往工程中发现，随着使用年限的不断增长，黄土拼宽路基在使用中出现了路基沉陷、翻浆及差异沉降引起的路面开裂等病害。在农村公路中，这种现象更为显著，因此，研究农村公路黄土拼宽路基的处治措施和沉降特性具有十分重要的工程应用价值。

《小交通量农村公路工程设计规范》(JTG/T3311—2021)[1]6.5.3中推荐采用台阶拼接和土工合成材料来保证路基强度和稳定性，但是描述不够详细，具体台阶设置尺寸和合成材料没有具体给出，因此，对于农村公路拼宽路基处治方式需要具体问题具体分析，给出合适的处治方案。

张宗恩[2]指出，农村公路的线路比较长，涉及地区较广，地质和地形方面有很大差别，且拼宽宽度小，因此，要充分考虑工程具体情况，因地制宜；同时，农村公路的建设成本较低，要充分考虑新老路基拼接方案的材料价格和施工难度，降低成本，使得设计方案符合工程应用需要。

在农村公路的填方工程施工中，施工周期很短，施工设备、人员和成本投入小，从而造成拼宽效果较差，同时，因就地取材、高挖低填，使得填料复杂，导致相同工艺下不同的压实效果。现有的道路设计对农村公路结构设计的标准较低，且推荐方案较少，本文依托实体工程，先对当地土样进行试验研究，从低成本的提高压实度的处治措施应用角度，得出黄土地区路基填料的力学参数随压实度的变化规律，提出提高农村公路路基压实度标准，组合设置高度为1.2 m的台阶，以适应山西省农村公路高填方路基拼宽的需要，在拼宽宽度小、双侧加宽或施工作业面狭窄的局部区段，可考虑采用轻质泡沫混凝土拼宽路基，以可接受的成本获得更好的路基拼宽效果。

本文利用有限元法对上述不同处治措施下的农村公路拼宽路基方案展开了对比研究，其成果可为同类工程选择合理的拼宽路基处治措施提供参考。

1 农村公路拼宽路基模型建立

1.1 路基路面基本情况

在收集并整理了近年来山西省农村公路典型的拼宽改造设计资料后，本文选取了山西省武乡县大活庄—王庄沟线农村公路拓宽改造工程作为典型进行研究。

该工程为旧路拓宽改造工程，旧路的路基宽度为4.5 m，路肩宽度0.5 m，路基边坡坡度为1:1.5，原路面结构为18 cm水泥混凝土面层+15 cm砂砾基层，如图1所示。

旧路升级改造采用单侧挖台阶加宽形式，先由旧路路肩处向下开挖50 cm，下部30 cm为换填砂砾，上部18 cm留作水稳砂砾底基层，向下的台阶高度依次为1.2 m，新旧路基在台阶处相搭接，单侧加宽后的路基边坡与旧路基相同。路面结构如图1所示。

新路的路基宽度为6.5 m，双向两车道，车道宽度3.0 m，路肩宽度0.25 m。旧路的水泥面层和新铺筑的水稳砂砾构成了新农村路的18 cm底基层，路面结构向上依次为18 cm水泥稳定碎石基层、5 cm AC-16沥青混凝土下面层、4 cm AC-13沥青混凝土上面层。具体结构如图1所示。

图1 农村路拼宽路基路面设计图Fig.1 Design drawing of rural road widening subgrade and pavement

1.2 路基土特性

山西农村公路路基填料以黄土为主，大活庄—王庄沟线全线均被黄土覆盖，将挖方黄土作为路堤填料，在研究农村公路拼宽路基处治措施时，需要研究黄土的强度和变形特性。

根据公路土工试验规程(JTG E40—2007)[3]的试验标准，对土样进行土工参数试验，得到典型土样的最大干密度和最佳含水率以及黄土的压实度与力学参数的相关关系及其变化规律，见图2和表1。最佳含水率为12.2%，最大干密度为1.948 g/m3。

图2 含水率与干密度关系图Fig.2 Relationship between moisture content and dry density

表1 压实填土参数Tab.1 Compacted fill parameters

1.3 农村公路路基拼宽主要处治措施

受限于地方经济状况与成本因素，农村公路路基拼宽处治措施的选择具有很大的局限性。本文基于山西省目前主流的设计方案，结合低成本及特殊区段应用，选择了4种主要处治措施在单侧拼宽的情况下应用作对比研究。

1.3.1 提高压实度

关于路基压实度的控制，《小交通量农村公路工程技术标准》(JTG 2111—2019)[4]中规定的控制标准较为详细，但是在压实度的要求不是很高，因此要尽可能高的控制路基的压实度。工程施工中表明，采用强夯法冲击压实法或分层填筑压实来衔接新老路基接触面，可以提高固结的速度和提升路基抗变形效果。目前，我国相关规范中，对路基压实度的要求见表2。

表2 JTG 3311—2021对路基压实度的要求Tab.2 Requirements for subgrade compactness in JTG 3311—2021

1.3.2 台阶开挖

在工程中,设置台阶能够降低坡度，提高抗滑性能，增加路基的稳定性和密实度；又能扩大新旧路基的接触面积，使得新旧路基能够良好衔接。设置台阶分为开挖方式和台阶高宽比的确定两个方面。台阶的开挖方式通常是内倾式台阶，魏佩顺[5]研究了台阶的高宽比设置，认为台阶的高宽比应与路堤边坡坡度一致。目前设计方案中，一般采用1.2 m的台阶高度，高宽比与路堤边坡坡度一致。

1.3.3 应用土工合成材料

土工合成材料的主要是为了改善路基的应力状态，来减小差异沉降，控制路面侧向变形以和加强压实效果。Forshman等[6]的研究表明土工合成材料可以减少路基顶面与路面底部交界处的病害，效果与材料的强度有关，研究了路面设置了土工格栅的处治效果，表明土工格栅可以有效改善拼宽路面的稳定性；崔春义等[7]认为土工格栅的筋材模量越高，加筋效果越明显。本文结合经济效益考虑，一般选择模量为38 700 MPa左右的土工格栅。台阶顶面加设土工格式在目前的农村公路拼宽路基设计方案中常配合台阶一起应用。

1.4 模型与参数

1.4.1 基本假设

由于岩土工程十分特殊，土体有着非常复杂的结构，当前条件下的模拟分析过程还不能完全模拟出实际中土体的所有性状，参考高翔等[8]的工作，在模拟分析之前，要针对研究重点和当地实际情况来简化模型，针对此次模拟做出以下假定：(1)模拟过程中的土体为均质、各向同性的弹塑性半无限空间体；(2)模拟过程中忽略地下水的影响，这在山西省气候环境情况下基本合理；(3)填筑土体与地基土为同样的黄土；(4)假设路基的材料参数在过程中保持不变。

1.4.2 计算参数取值

采用Mohr-Coulomb模型来模拟路基填料和地基土的性状，使用流体渗透/应力耦合模型来模拟地基土固结的过程，材料的强度参数参考土工试验和地质勘察报告，泊松比参考规范，材料参数见表3。

表3 路面结构材料参数Tab.3 Structural material parameters of pavement

1.4.3 建立模型

确定了路面材料参数取值，就可以利用ABAQUS软件进行仿真分析。图1为ABAQUS有限元分析对象，图 3为数值分析所采用的二维拓宽路基横截面图。道路采用单侧拓宽，模型路面宽4.5 m，路堤边坡角为 1∶1.5。拓宽后，路面宽 6.5 m，路堤边坡为1∶1.5。道路路面厚度参考表3，从路基中线向外侧计算区域取18 m，地基计算深度取10 m，刘锐[9]提出满足沉降计算的精度要求需按照公式(1)确定地基的有效压缩层厚度。

图3 ABAQUS拼宽路基有限元模型Fig.3 ABAQUS finite element model of widening subgrade

(1)

式中：i为各层土的重度，N/m3；Hi为各层土的厚度，m。

彭丹[10]对加宽路堤进行有限元分析，得出当坡脚到边界的距离应当不小于1.5倍坡高，坡顶到边界的距离不小于2.5倍坡高。经过试算，地基计算深度应不小于9.14 m，坡脚到边界的距离不小于7.5 m，坡顶到边界的距离不小于12.5 m，所以该模型满足此要求。

1.4.4 模型网格划分

陈敬虞[11]提出由于分析路基的工后沉降需要模拟地基土的固结过程，使用“四结点平面应变四边形单元，双线性位移，双线性孔压(CPE4P)”；因此本研究也采用“四结点平面应变四边形单元，双线性位移，双线性孔压(CPE4P)”，采用映射网格划分计算模型。网格划分情况如图4所示。

图4 有限元网格划分Fig.4 Finite element mesh generation

1.4.5 模型边界条件

模型的对称面采用XSYMM边界条件， 如图5所示。侧面禁止水平位移，底部禁止水平和垂直位移。在顶部设置极限条件，设置孔隙压力为0。

图5 路基路面模型边界条件Fig.5 Boundary conditions of subgrade and pavement model

1.4.6 车辆荷载

参考陈忠达[12]对车辆荷载的设置，本文采用标准的双轮组轴载( BZZ-100)，荷载以均布荷载施加在路面上，如图6所示，在路表中间施加双轮轴载。标准轴载0.7 MPa，按照静力等效原则简化为平面问题后，接地压力为11 731 Pa/m。

图6 路面模型所受轴载Fig.6 Axle load on pavement model

2 计算结果与分析

2.1 压实度对沉降的影响

由于路基土的压实度变化会影响黄土的一系列参数变化，通过节1.2对路基土特性试验，不同压实度下路基土的参数参考表1。在经过ABAQUS分析模拟沉降情况，得到黄土路基压实度与路基沉降之间的关系。

为了清楚的分析拼宽路基在施工工程中的沉降状况，模拟分析了土体的固结过程，分析了路面完工后一段时间的运营工程，观察路基的长期沉降状况。

Hatami等[13]指出公路的寿命一般为15 a。对竣工时、工后1 a、工后7 a和工后15 a的竖向沉降和竖向应力进行了分析，当填土压实度为90%下，顶面沉降曲线如图7所示。

图7 顶面沉降曲线Fig.7 Settlement curve of top surface

由图7可知，路堤拓宽后，旧路堤与新路堤的沉降存在明显差异，路基加宽完成后，旧路堤中心线处的沉降非常小，但沉降从旧路堤的中心线到新路堤的路肩处的逐渐增加，因为旧路堤下方地基区的土壤固结沉降已经完成。在修筑完成后1 a内，车辆荷载开始作用在路面上，以及地基在1 a时间内的固结沉降，老路堤和新路堤的沉降变大。通过分析对比，施工后7 a和15 a的沉降情况变化不大，与施工后la基本相同，平均每年的沉降增量小于5 cm，符合《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[14]中推算的工后沉降量小于设计容许值10 cm，同时要求连续2个月观测的沉降量每月不超过5 mm，说明路基拓宽后只需1 a沉降已基本稳定。填土压实度为95%，98%，在运营期的沉降变化与之类似，就不再赘述。

由上文所述，施工后7 a和15 a的沉降情况变化不大，与施工后l a基本相同，所以只列出不同压实度填土下工后1 a的最大沉降。

如图8所示，在车辆荷载作用下，90%、95%和98%压实度下黄土路基沉降稳定后的沉降值分别为 5.26、4.98和4.68 cm，差异沉降分别为2.03、1.96和1.85 cm。由此可知，黄土路基的压实度越大，沉降量和差异沉降量越小，提高黄土路基压实度能有效控制沉降。通过大活庄—王庄沟试验段路基施工的压实度记录检测，路基的压实度能够达到98%。考虑到现场施工状况和设备问题，如果在提高压实度至超过98%难度较大，且耗时过长，成本巨大，因此，可以提高拼宽路基的压实度为98%以控制沉降。

图8 填土压实度与沉降量关系曲线Fig.8 Relation curve between fill compaction degree and settlement

2.2 路基开挖台阶的对比分析

由节2.1可知，路基填土的压实度为98%时抗沉降效果最好，因此默认设置填土压实度为98%。对台阶开挖的高度不同，建立模型进行模拟分析。台阶高度分别设置为80、100、120和140 cm，列出设置台阶工后1 a的云图，竖向应力云图如图9所示。

图9 设置台阶高度为1.2 m竣工1 a时竖向位移云图Fig.9 Vertical displacement cloud map after completion

经过模拟分析，沉降曲线依呈“勺状”分布，从旧路基中心到新路基沉降越来越大，沉降相比未设置台阶时的要小一些，新路堤的沉降减小最为明显，由图10可以看出，竣工时最大沉降随着台阶高度的增加而减小，但从台阶高度为1.2 m时沉降减小趋势变得平缓，考虑到施工时的开挖量以及成本，选取台阶高度为1.2 m。

图10 台阶高度与沉降关系图Fig.10 Relationship diagram between height of steps and settlement

由图11可知，设置1.2 m台阶后工后1 a的最大沉降达到3.70 cm，比未设置台阶的最大沉降的4.68 cm小了0.98 cm；沉降稳定后差异沉降为1.70 cm，比不设置台阶的差异沉降2.56 cm小0.86 cm，所以当设置台阶高度为1.2 m时，可以有效地减小施工时的工后沉降，并在一定程度上减小差异沉降。

图11 设置台阶与不设台阶沉降对比图Fig.11 Comparison of settlement with and without steps

2.3 土工格栅对沉降的影响

经过上面的分析，默认设置填土的压实度为98%，在拼宽路基的各结构层加入了土工格栅，模量为38 700 MPa，其边界条件、车辆轴载与无土工格栅时相同，如图12所示；此外，在新老路基结合部设置高度为1.2 m的台阶，在设置台阶的基础上，对设置台土工格栅时的沉降进行分析， 分析结果如图12所示。

图12 土工格栅布置图(红线为土工格栅)Fig.12 Geogrid layout drawing (red lines are the geogrids)

由图13可以看出，只设置土工格栅工后1 a最大沉降为4.48 cm,差异沉降为2.49 cm,比只采用98%压实度填土时最大沉降小了0.20 cm，差异沉降小了0.07 cm，同时设置格栅和台阶工后1a最大沉降为3.48 cm，差异沉降1.53 cm，比只设置台阶时竣工时最大沉降小了0.22 cm，差异沉降小了0.17 cm，因此可以得出，设置土工格栅可以减小沉降，但其影响效果没有设置台阶显著，考虑施工成本，可不设置土工格栅。

图13 土工格栅与工后1 a沉降量关系曲线图Fig.13 Curve diagram of relationship between geogrid and settlement

因此，对于农村黄土路基改扩建差异沉降的推荐处治方法为开挖时设置高度为1.2 m的台阶，提高拼宽路基压实度为98%。

2.4 数值计算验证

为了验证路基沉降预测模型的准确性，通过数值模拟计算结果与大活庄—王庄沟试验段(采用98%压实度填土，设置高度1.2 m台阶)现场得竖向沉降位移进行了对比分析，对比曲线如图14所示。

图14 模型预测沉降与实测沉降关系图Fig.14 Relationship between model predicted settlement and measured settlement

从图14中可以看出，现场沉降实测值与有限元计算值比对的沉降变化趋势一致，验证了数值模型的有效性。

2.5 不同路基拓宽宽度的影响分析

因为本文以实例的基本参数进行模拟分析，为了提升结果的适用性和指导性，选取3.75、5、7.5 m等不同拓宽宽度，设置高度1.2 m台阶，填土压实度为98%，对路基沉降变形的影响进行了数值计算，模拟结果如图15所示。

图15 不同拓宽路基工后1 a的沉降曲线Fig.15 Settlement curve of different widened subgrade after one year

从图15中可以看出，路基从3.75 m拓宽到7.5 m，沉降越来越大，随着拓宽宽幅的增加，地基所承受的荷载也增加，同时对老路基的附加应力也变大，进而使得坡脚沉降量增加；因此，在增加路基沉降量的同时也加剧了新老路基的差异沉降，但基本的沉降曲线相似，沉降规律一致。

3 结论

本文采用模拟分析法对黄土农村公路路基改扩建差异沉降处治方法进行了分析，主要结论有：

1)增加黄土路基压实度能有效减小沉降，提高拼宽路基压实度为98%时抗沉降效果最好。与压实度90%的路基相比，减小了11%的沉降和9%的差异沉降。

2)通过数值模拟分析发现，工后7 a和15 a的位移情况变化不大，基本与工后1a时一致，说明路基拓宽后只需1 a沉降已基本稳定。

3)设置高度为1.2 m的台阶能有效减少20%的沉降和34%的差异沉降。

4)采用土工格栅也能提高抗沉降表现，但效果并不显著。考虑到施工成本问题，可不设置土工格栅。

5)通过数值模拟计算沉降结果与试验段实测沉降结果对比，得出现场沉降实测值与有限元计算值比对的沉降变化趋势一致，验证了数值模型的有效性。

6)对于农村黄土路基改扩建差异沉降的推荐处治方法为开挖时设置高度为1.2 m的台阶， 提高拼宽路基压实度为98%。