基于数值法的公路扩建前后新老路基沉降特性分析

仲 敏

（中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

在公路修建项目的施工中，常常遇到因新老路基沉降差异造成的工程问题，这些问题会影响工程的进度和施工质量，一直以来度备受学者的关注。

不少学者针对该问题，从多个角度研究了导致新老路基发生不均匀沉降的工程问题，如扩宽条件的差异、在路基拼接出施工方案的不同、路基填料选材的不同等。

原有的地质条件极大的影响着路基拼接处的施工工艺选择。改建公路的项目在我国中东部地区十分常见，因为这里的地基土多为软土。此类地质条件的公路扩建多采用扩宽设计。

因此，该文研究新老路基的沉降差异特性，对中东部地区的公路路基扩宽项目具有指导意义。

该文以某国道公路的扩建工程为研究背景，运用有限元数值模拟技术研究了扩建过程中的软土地基加固的问题，采用有限元数值分析的方法，对施工流程中的开挖方式、坡度、固结度、软基深度以及软土压缩模量等参数进行模拟，研究了不同因素对新老路基沉降特性的影响。

1 工程概况

某国道公路路基由7.5 m扩宽为12 m。扩宽路段的平面设计中心线与老路保持一致，路面由6.0 m扩宽至10.5 m，两侧路基各加宽2.25 m。该路段全长34.026 km，工程要求将三级的水泥混凝土路升级为二级的沥青混凝土路。纵面设计先将老路破碎挖除，然后铺设60 cm~70 cm厚的水泥稳定底基层，在底基层上铺设11 cm厚的改性沥青混凝土面层。假设路基的横断面沿中心线对称分布，路基高为6 m，考虑路面的等效荷载为1 m，则新、老路基的边坡率定为1∶1.5。路基加宽部分的软弱地基采用复合地基处理。

2 数值模拟

2.1 建立有限元模型

根据施工工况以及地质条件，通过PLAXIS软件模拟路基加宽过程，由于路基长度远大于宽度，路基宽度可忽略不计，因此可采用二维模型。以路基底部20m，宽100m为研究对象，模型路面宽度为6m，加宽后路面宽度为10.5m，路基原宽度为7.5m，加宽后路基宽度为12m，路基高为6m，路基边坡坡率为1∶1.5。

2.2 参数计算

地勘资料显示，扩建地区的地基土从上到下分为亚黏土、淤泥质土以及粉土质砂3层。地基土的埋深与土层分布见表1。路基土层计算参数见表2。

表1 地基土的埋深与土层分布

表2 路基土层计算参数

2.3 填筑加载历时

计算工况分别如下：1）老路运营时间为8年，新路施工周期为2年。2）新路施工1.5年，新路完工后运营15年。

新路和老路填筑历时见表3。

表3 老路和新路填筑历时

3 新、老路基的沉降特性分析

该文着重对比了新、老路基在修建过程中开挖的方法、开挖的坡度、软基压缩模量等对路基沉降量额横坡比的影响，进一步探究软弱土质区域公路扩建的新老路基沉降演化规律。图1为加宽施工完成后的沉降分布图。从图中可以看出路基沉降规律符合实际情况，说明该文建立的模型的合理性。

图1 加宽施工完成后的沉降分布图

3.1 开挖方式的影响

计算工况如下：1）新、老路基均采用台阶式开挖，开挖宽度1.5 m，开挖高度1.0 m。2）边坡开挖坡率为1∶0.5。不同的路基开挖方式对地表附加沉降量的影响如图2所示。

图2 开挖方式对地表沉降的影响

由图2可以看出，采用台阶式对老路边坡开挖时，路基中心处的附加沉降值为7.4 cm；当开挖方式变为边坡开挖后，路基中心处的附加沉降值增大到9.3 cm，沉降量增加了2.57%。这现象说明采用台阶式边坡开挖有利于减少新路基对老路基的附加沉降问题。由图1可知，新路采用边坡开挖的最大沉降值为20.2 cm，与台阶式开挖相比，附加沉降增大了11.6%，增长了2.1 cm，并且在老路的坡脚处发最生大沉降。通过比较发现，采用台阶式开挖后新老路基的沉降显著减少。

采用不同的开挖方式对新老路基横坡比的影响，见表4。

由表4可知，路基的开挖方式由边坡开挖变为台阶式开挖后，路基的横坡比大幅降低；其中老路竣工后的横坡比降低了14%，新路的竣工后的横坡比降低了26%，新老路在改变开挖方式后，横坡比仅降低了4%，变化不明显。通过数据分析可以发现，采用台阶式挖可以显著减少新路和老路基的横坡比，并且在竣工和工后运营期间对路基横坡比产生的影响更小。

表4 不同开挖方式新老路横坡比变化（单位：%）

3.2 开挖坡度的影响

老路基开挖设置1∶0.50，1∶0.75，1∶1.00三种坡率，对这3种工况进行有限元数值模拟，得到不同开挖坡度与地表附加沉降的关系，如图3所示。

由图3可知，随着开挖坡率降低，地表的附加沉降量逐渐减少。当坡率由1∶0.5增加到1∶0.75后，老路的最大附加沉降值从30.1 cm减少到27.4 cm，降低了9%；坡率由1∶0.75增加到1∶1.00后，老路的最大附加沉降值从27.4cm降为25.2cm，降低了8%。从沉降最大值的发生位置可以看出，最大沉降量均出现在老路坡脚附近。与老路相比，开挖坡率的变化对新路路基的沉降影响较小。

图3 开挖坡度对地表附加沉降的影响

不同的开挖坡率对新老路路基横坡比影响见表5。

由表5中数据可知，随着开挖坡率减少，老路的竣工后横坡比由最先0.98%下降为0.82%，降低了16.3%；新路的竣工后横坡比由最先1.79%下降为1.78%，下降幅度很小，仅有2.2%；新老路的竣工后横坡比由最先1.22%下降为1.08%，降低了11.5%。比较运营15年后的各种路基的横坡比随开挖坡度的变化发现，随坡率降低，老路的横坡比下降了21%；新路的横坡比上涨了1.7%；新老路的横坡比下降了12%。通过数据分析发现，开挖坡率的降低有助于老路横坡比降低，但对新路的横坡比影响不明显。

表5 不同开挖坡率新老路基横坡比变化（单位：%）

3.3 固结度的影响

对运营周期不长的路段来说，在长期的车辆荷载作用下，还会出现一定的固结，沉降还未结束，因此还需要考虑老路固结度变化对沉降特性的影响。

在计算老路沉降固结时，将扩宽部分的的路基荷载作为下一级荷载施加，计算扩宽部分的固结。该文在计算时取老路固结度的值为0.8、0.9、1.0。地表沉降随固结度的变化如图4所示。

由图4可知，随着老路固结度的增大，老路的附加沉降逐渐减少。当的取值从0.8增至0.9，从0.9增至1.0时，老路的中心处的沉降量分别减少了21.6%和35.5%。由此可以看出，老路的固结沉降将会给计算结果带来巨大的影响，因此在计算路基沉降时必须考虑老路的固结度。随着老路固结度的增大，新路的附加沉降逐渐减少，当的取值从0.8增至0.9，从0.9增至1.0时，新路的最大沉降量由21.9 cm降至21.1cm和19.5cm。新路的沉降会受到老路沉降的影响，两者之间存在相互作用的现象。

图4 固结度对地表附加沉降的影响

不同的固结度对新老路路基横坡比影响见表6。

表6 新老路横坡比随老路固结度的变化（单位： %）

由表6可知，随着老路的固结度增大，道路的横坡比也逐渐增大，固结每上升0.1，横坡比在原有基础上增大50%左右。由于老路固结度的上升，新老路的沉降差异减少。

3.4 软基深度

设计7.0 m、10.0 m、13.4 m等3个不同的软基施工深度，探究软基深度不同时，路基地表沉降量的变化规律，结果如图5所示。

由图5可知，软基深度与路基的附加沉降量的变化呈正相关。随着软基深度由7m增加到10m，再增加到13.4m，新路的最大沉降量分别增加了0.7cm和0.6cm；老路中心处的沉降量分别增长了4.8%和5.7%。从图中的变化趋势可以看出，随着软基深度的增加，附加沉降曲线呈平行下移的态势，说明软基的对路基的沉降影响是整体性的。

图5 软土厚度对的地表沉降的影响

由表7可知，软基深度增加后，老路的横坡比会小幅度增长，涨幅仅为0.03%；新路和新老路的路基横坡比变幅度不大。无论是竣工后还是运营15年后，软基深度对路基的横坡比基本无影响。

表7 新老路横坡比随软土厚度的变化（单位：%)

3.5 软基压缩模量的影响

该文设计3个软基压缩模量（1000，2000，3000 kPa）对路基的沉降特性进行有限元数值分析，探究不同压缩模量对路基沉降特性的影响分别进行有限元数值分析。试验结果如图6所示。

由图6可以看出，地表的附加沉降量的发展与软基压缩模量呈负相关，随着压缩模量（土体刚度）的增大，附加沉降值越来越小。当压缩模量从1000 kPa增加到3000 kPa后，老路的中心处附件沉降值由12 cm降至8.4 cm，降低了30%；新路的最大附件沉降值由22.4 cm降至18.7 cm，降低了16.5%。从图中可以看出，与压缩模量从1000kPa增至2000kPa相比，当压缩模量从2000kPa增至3000kPa时，路基沉降减少量更少，并且最大沉降出现的位置随着压缩模量增加逐渐向外移动。通过上述分析可以说明，当天然路基的强度较低时，采用固化处理能够更好地解决路基的沉降问题。

图6 压缩模量对地表附加沉降的影响

不同的软土压缩模量对新老路路基横坡比影响，见表8。

表8 新老路横坡比随软土压缩模E的变化（单位：%）

由表8可知，随着软基压缩模量的增大，老路的横坡比逐渐减少，竣工后横坡比减少了16%，运营15年后横坡比减少了18%；而新路的横坡比逐渐增大，竣工后横坡比增加了15%，运营15年后横坡比增加了16%。产生这一现象的原因是新路基在加固处理时，与老路基连接的部分存在强度缺陷，导致老路基的路肩与新路肩的沉降量差距扩大。从表8中数据可知，随压缩模量的增大，新老路基的横坡比有明显减少。上述分析表明，在进行路基扩宽时，提高路基土的压缩模量可以遏制新、老路基的不均匀沉降。

4 结论

该文以某国道公路的扩建工程为研究背景，运用有限元数值模拟探究了开挖方式、开挖坡率、软土压缩模量等对路基沉降差异的影响，试验结论如下。1）相较于边坡开挖，台阶式开挖后新老路基的沉降显著减少，在竣工和工后运营期间对路基横坡比产生的影响更小。2）随着开挖坡率的减少，地表的附加沉降量逐渐减少。与老路相比，开挖坡率的变化对新路路基的沉降影响较小。3）开挖坡率的减少有助于老路横坡比的降低，但对新路的横坡比影响不明显。4）随软基深度的增加，附加沉降曲线呈平行下移的态势，说明软基的对路基的沉降影响是整体性的。但对路基的横坡比基本无影响。5）天然路基的强度较低时，采用固化处理能够更好的改善路基的沉降问题。在进行路基扩宽时，提高路基土的压缩模量可以遏制新、老路基的不均匀沉降。