旧路加宽差异沉降影响因素的仿真研究

刘小飞

高速公路改扩建工程最大的技术难题是解决新旧路基不均匀沉降问题。原有的路基经过多年行车荷载作用和自然沉降等因素已趋于稳定，沉降量已很小，而新路基成型后必然要经历一个沉降过程，这将会造成新旧路基的不均匀沉降。这样，加宽完成后整个路基存在着沉降量不均衡的问题。如果处理不当，将会给新加宽道路留下隐患，反映在路面上就是将在新旧路基结合部位产生纵向裂缝。但其根源在于加宽后新旧路基沉降量不同，这种病害会在外界因素(例如行车荷载、冻胀、雨雪侵蚀等)作用下进一步发展，以致影响到公路的正常使用。

目前我国公路部门对高速公路改扩建工程的研究还不够，从设计到施工还没有成熟的经验可循。在旧路加宽的相关技术规范中，仅对新旧路堤路面交界部分的连接提出了一些具体的设计要求和施工要点，并未涉及公路拓宽时普遍存在的差异沉降。因此，开展对高速公路旧路加宽差异沉降影响因素的研究具有十分重要的工程意义。

1 旧路加宽差异沉降成因分析

地基土体在上部结构荷载作用下产生应力和应变，其中竖直方向的变形即为沉降。土体的沉降变形同土体的压缩性能是密切相关的。一般天然土是三相体，它们受力变形，实际是土颗粒压缩，土孔隙中水和气的排出，土体积减小的过程。

公路路基沉降主要由两部分组成，即地基在路基自重作用下的固结压缩变形以及路基本身的固结压缩变形。由于路基是分层施工的，根据应力扩散原理，路基土承受压路机的轮压作用最明显，可以认为已经得到很大程度的压实，而地基的压实效果不明显。路基的工后沉降量主要是由地基土的沉降固结引起，但也不能排除路基本身的次固结变形，即土体骨架发生粘滞蠕变所致。从差异沉降的成因分析可知，新旧路基的差异变形主要由三个部分组成:第一部分是由于地基在新路堤荷载作用下发生的固结变形;第二部分是新路堤在自身荷载作用下发生的压缩变形;第三部分是新路堤在行车荷载作用下发生的累计塑性变形。

2 数值分析模型的建立和材料参数的确定

2.1 模型的建立

本文依托工程原为双向四车道高速公路，路基顶面宽度为26.0m，边坡坡度为1:1.5，采用双侧拓宽方式，每一侧拓宽宽度分别为8.0m。现选取某一处路堤为模型，该处路堤填高4m，边坡坡度依然为1:1.5。其几何模型和网格划分分别见图1，图2。

2.2 材料参数的确定

基于室内试验成果，沿线某处新旧路基材料参数见表1。

表1 新旧路基材料参数

3 旧路加宽差异沉降影响因素分析

3.1 不同拓宽方式对差异沉降的影响

目前高等级公路加宽工程中常见的加宽方式主要是单侧加宽和双侧加宽，为分析不同加宽方式下新旧路基的变形性状，对双向两车道的旧路基，在总加宽宽度相同的基础上，分别对单侧加宽和双侧加宽的加宽方式进行计算比较分析，加宽宽度均为四车道，单侧加宽时加宽宽度为16m，两侧加宽时则每侧加宽宽度为8m。两种不同加宽方式下路基沉降曲线如图3所示。

由图3可以看出，在总宽度相同的情况下，单侧加宽和双侧加宽路基表面的最大沉降分别为14.14cm和7.77cm，从路基顶面沉降变形曲线形态和沉降数据来看，双侧加宽较单侧加宽变形值小，且更为平缓，尤其是旧路顶面在对称加载的情况下，几乎是整体下沉，差异沉降非常小。因此，在相同的加宽宽度下，双侧加宽无论在路基绝对沉降、新旧路基差异沉降均较单侧加宽具有明显优势，其原因是双侧对称加载比单侧加载对旧路基产生的附加沉降，仅从受力和变形性状角度分析，采用双侧加宽比单侧加宽更为有利。

3.2 加宽路堤高度的影响分析

由于公路扩建工程受地形高低变化的影响，不同断面会出现不同的填挖高度，不同高度的路堤在重力荷载的作用下，产生的变形是不同的。因此，路堤高度是影响路堤及地基变形的最直接的因素。

在计算中以半幅路基为研究对象，半幅旧路基宽13 m，新路基拓宽宽度选为8 m，即双向四车道拓宽为双向八车道，路基填土高度分别选取2 m，4 m，6 m，8 m。计算结果见图4～图6。

从图4，图5可以看出，路基填土高度越高，拓宽路基不均匀沉降越大，旧路中心的附加沉降越大。当填土高度为2 m时，最大差异沉降只有2.53cm;而当路基填土高度增加到4 m时，最大差异沉降为5.16cm;当路基填土高度增加到6m时，最大差异沉降为7.28cm;当路基填土高度增加到8 m时，最大差异沉降为9.24cm。同时还可以看出，路基填土高度越小，拓宽路基顶面沉降曲线越接近“～”形。这是因为，填土高度越小，新路基对旧路基的影响越小，旧路基的附加沉降越小，故沉降曲线前段越平缓;而因为填土高度小，旧路基对新路基的沉降影响作用也较小，旧路基坡脚线与新路基路肩间有相当的距离。沉降曲线受旧路基边坡影响发生渐变的效果不明显，使得沉降曲线后段也比较缓和。

由图6可以看出，当填土高度为2 m时，旧路基坡脚处水平位移只有向内0.21cm，新路基坡脚处水平位移为向外0.39cm。而路基填土高度为4 m，6 m，8 m时，旧路基坡脚处水平位移分别为向内 0.32cm，0.51cm，0.57cm，分别增加了 52%，142%，171%;新路基坡脚处水平位移分别向外 0.94cm，1.29cm，1.57cm，分别增加了141%，230%，302%。即路基填土高度越高，拓宽路基水平位移越大，旧路基坡脚处水平位移向内移动，而新加宽部分向外移动，增加了新旧路基结合部滑动的可能。

综上所述，差异沉降和表面水平位移随着路基高度的增加而增加，且路基高度越小，拓宽路基顶面沉降曲线越接近“～”形。因此，在满足路基最小填土高度情况下，控制路基高度可以有效减小差异沉降。

4 结语

结合实体工程，在分析旧路加宽差异沉降成因的基础上，利用室内试验成果和数值模拟，对影响旧路加宽沉降的因素进行分析，可以得出以下结论:

1)在相同的加宽宽度下，两侧加宽在新旧路基差异沉降上较单侧加宽具有明显优势。如果条件许可，采用两侧加宽比单侧加宽更为有利。但从施工便利、占用土地和工程造价等方面出发，单侧加宽比双侧加宽有利，双车道公路扩建成高速公路的项目尤为明显。采用何种加宽方式，应在详细的经济、技术比较的基础上确定。

2)在两侧加宽方式下路堤高度不同时，差异沉降随着路基高度的减小而减小，且路基高度越小，拓宽路基顶面沉降曲线越接近“～”形。因此，在满足路基最小填土高度情况下，控制路基高度可以有效减小差异沉降。

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