山区高速公路路基差异沉降特性分析及对策探讨

王晨竹



山区高速公路路基差异沉降特性分析及对策探讨

王晨竹

东南大学交通学院, 江苏 南京 210096

本文以某改扩建高速公路为对象，采用有限元软件构建拼接拓宽高速路面的差异沉降特性以及相关的影响因素。研究结果表明：采用双侧拼接的路面拓宽施工方案，在路基中心位置取得竖向剪应力最小值，并由中间量路基远离方向中心线两侧扩大；新路基顶面沉降由老路基交界位置形成并由内向外逐渐扩大，在路肩边缘处取得最大路基沉降位移，在新旧路基交界处产生高剪应力区。随着路基高度和路基填土重量的增加，路基表面的沉降值增大，在远离中心线距离处取得最大值。工程实际中，通过采用改良土体采用路基填筑材料，能够在一定程度上有效控制拓宽路基的差异化沉降，而采用设置基底垫层来降低路基的差异化沉降并不能取得很好的效果。

高速公路; 路基沉降

传统偏远山区建立的高速公路往往采用四车道或双车道居多。近些年，随着路运物流的发展，高速公路交通量增加，原有的四车道已经难以满足交通增长需求，就要求对现有高速路进行新建和扩建[1-3]。考虑到偏远山区地带受地质环境和建设成本因素，更多的是在原有高速公路上进行旧路扩宽来满足交通运输要求。而旧路拼宽容易导致扩宽路基发生差异化沉降问题，给公路运输带来安全隐患[4-6]。目前，针对高速工况扩宽导致的路基差异化沉降，国内外相关学者进行了多方研究[7-12]，如日本人学者根据地基扩宽时新旧路面的不均匀沉降提出了一种基于半幅拓宽路基稳定性和差异沉降的控制策略[13]；Mitropoulou CC等通过采用Fellenius分析法实现了对拓宽路基差异化沉降的稳定性分析，并得到了基于扩宽路基差异化沉降变形的E-P曲线[14]；Li G等采用间隙填筑法进行软土地基的填充作用，有效提高了地基应力水平，控制了新旧路基差异化沉降[15]。

本文在总结相关研究的基础上，以某一工程实例为研究对象，通过建立有限元模型来分析路面拓宽下新旧路基路面差异化沉降的变化以及相应的影响因素，给出路基拓宽前后的应力和位移状态变化规律。

1 模型构建

1.1 工程背景

A高速位于贵州省南北向国道主干线，公路全长124 km，采用双向四车道。项目改扩建起止里程K30+850~K102+450，全长45.456 km，主线路段拟在原路双向四车道基础上改扩建为八车道，采用两侧拼宽为主，局部单侧分离和局部新建的施工方式。根据工程扩建情况，扩建前原有路基宽度为26.0 m，扩建后路段全幅路基宽42 m的断面形式，每一侧分别拓宽7.5 m或8.0 m。因此，本文选取路基尺寸模型的上部宽度为42.0 m的断面结构建立模型，两侧拓宽按照8 m进行计算，路基底部宽度66 m，路基下地基计算深度和计算宽度分别取20 m和200 m，路堤延伸长度取10 m，边坡坡率为1:1.5。如表1所示为模型的计算设置参数。

表 1 模型的计算参数

1.2 模型网格划分

以模型旧路基中心线地基地层为水平位移的基准点，以旧路基中心线路基顶面为竖直沉降基准点，设定垂直路基中线考路基段为水平正向，竖直向上为正向。为保证模型的计算速度，取网格划分单位为2 m，根据公路结构将整个模型划分为259个单元，拱13463个节点，如图1所示为经过网格划分后的路基拓宽几何模型。

图 1 路基几何模型网格划分

2 结果分析

2.1 路基沉降特性分析

图 2 原路基的沉降特性云图

图2为经过多年沉降的旧路基位移和沉降分析结果。从图中可以看出，旧路基结果多年投入运营后，主固结已经完成，路基位移沿中心线对称分布，路基边坡坡脚内出现最大水平位移。路基沉降趋于稳定，沉降分布表现出一个中心大两边小的凹状结构，坡脚处沉降与路基近表面差异明显，而路基两边与中心之间的沉降差异性较小，这种凹状结构容易造成拓宽路基坡脚处发生积水现象。

为模拟路基拼接后产生的附加应力对原有路基结构的影响作用，分析拼接路基后整体结构的沉降、应力和水平位移变化规律。对8 m高新筑路基进行模拟，获得双侧路基拓宽拼接后的新路基位移和应力云图。如图3所示，从中可以看出，采用双侧拼接后拓宽新路基产生的附加应力导致旧路基顶面呈现出一个凸形，即路基中心位置最小，并由中间量路基远离方向中心线两侧扩大。新路基产生的凸形沉降与旧路基的凹形沉降正好相反，原来最大沉降值出现在老路基中心处变为沉降最小值。新路基顶面沉降由老路基交界处形成并由内向外逐渐扩大，在路肩坡脚2/3处形成较大沉降，在路肩边缘处取得最大路基沉降位移。对比新老路基的沉降量可以发现，采用双侧拼接拓宽后的新路基沉降量要远大于原有老路基。

图 3 拼接拓宽路基的沉降特性云图

从图3中路基位移云图中可以看出，新路基最大水平位移出现在新路基顶部以及新旧路基交界处老路基部分，在新路基坡脚处也产生较大的水平位移，表明水平最大位移由老路基坡脚处转移到拓宽后的新路基坡脚位置。

对比新旧路基下的应力分布如图4所示，从应力分布变化规律发现，拼接前的旧路基竖向位移发生在路基顶面宽度对应的路基表面线以下，最大应力值为0.13 MPa，表现出一个碗形分布，新路基竖向最大应力出现在路基坡脚附近区域，最大应力值为0.085 MPa。可以看出，新路基拼接后的应力水平有所下降，且在新旧路基交界处产生高剪应力区。因此，在对已有旧路基进行拓宽工程时，需防止由于路基填方过高而造成新旧路基发生相对滑移，导致边坡滑塌事故。

图 4 不同路基应力云图

2.2 双侧拼接路基差异沉降影响因素分析

2.2.1 不同拓宽高度的影响 选取不同路基拓宽高度分析拼接路基差异沉降的影响。本节中设定2 m、4 m、6 m、8 m六个不同路基拓宽高度，拓宽宽度为8 m，获得不同路基拓宽高度下模型竖向沉降云图如图5所示。

图 5 不同路基高度下的竖直沉降云图

对不同路基高度下的竖向沉降云图分析可以看出，路基高度为2 m时，位移新路肩处沉降值较路基中心线位置较小，即新路肩处并未产生最大沉降值。而其余路基高度模型中的最大沉降均发生在路肩附近，最小沉降发生在旧路基中心位置。随着路基高度的增加，路基表面的沉降值随之增大。因此，当填土高度为4 m时，应对路肩区域的沉降进行有效控制，避免发生反坡出现坑洼积水，导致道路使用性能下降。随着距路基中心线距离的增加。

不同路基高度下的路基沉降量增加率表现出一个先增大后减小的趋势，如图6所示。当路基高度为分别为2 m、4 m、6 m、8 m时，路基差异沉降值分别为2.60 cm、4.37 cm、5.33 cm、6.02 cm。随着路基高度增加，新旧路基差异沉降的增幅逐渐较小，路基高度有2 m增加到8 m时，差异沉降增加73%。

图 6 不同路基高度下差异沉降

2.2.2 路基填料重度的影响分别取4 kN/m3、8 kN/m3、12 kN/m3、16 kN/m3路基填料重度来分析不同填料重度下的拼接新路基发生的差异化沉降。其他参数不变，采用相同几何尺寸的旧路基，新拼接路基采用双侧拓宽，单侧拓宽拼接宽幅为8 m，获得不同路基填料重度下的沉降云图见图7所示。

图 7 不同填料重度下的新拼接路基沉降云图

对比不同路基填料重度下的拼接路基沉降云图可以发现，随路基填料重度的变化，新路基地基沉降变化较大。新路基顶面沉降值随着距离路基中心线距离的增大而不断增大，并在远离中心线距离处取得最大值，16 kN/m3路基填料重度下，距离路基中心线20 m处取得最大沉降值5.534 cm，而4 kN/m3路基填料重度下相同位置处的最大沉降值为1.462 cm，最大沉降提高了398%；对于拓宽后的地基层，当新路基填料为4 kN/m3时，最大沉降值出现在距新路基中显现20 m处，最大沉降值为1.983 cm，当新路基填料为12 kN/m3时，最大沉降值出现在相同的位置，最大沉降值为8.013 cm，最大沉降提高了351%。

2.2.3 路基基底垫层的影响 为加快路基填筑施工进度，保证填筑质量，通常会在地基清表工作完成后填筑碎石层。为模拟工程实际情况，本文采用Drucker-Prager非线性模型来模拟十层层材料对拓宽路基差异沉降的特性分析。设定碎石垫层重度为21 kN/m3,弹性模量取120 MPa,泊粘聚力为6 kPa,泊松比0.10，内摩擦角为40o，碎石垫层计算厚度为1 m，垫层宽度为9.5 m，如图8所示为设置碎石垫层厚度拓宽路基位移云图对比。

图 8 新路基基底设置垫层前后路基沉降云图对比

Fig.8 Comparison of settlement cloud maps before and after basic layer set on the new subgrade foundation

从位移云图的对比中可以看出，在设置路基基底垫层前后，路基沉降分布并未表现出较大的变化，路基最大沉降由未设置垫层时的8.04 cm下降为设置后的7.52 cm，降低0.48 cm，因此实际工程应用中，在保证地质条件和路基状况良好时，采用设置基底垫层来降低路基的差异化沉降并不能取得很好的效果。

3 结论

（1）旧路基路基位移和应力沿中心线对称分布，路基边坡坡脚内出现最大水平位移。坡脚处沉降与路基近表面差异较大，路基两边与中心之间的沉降差异性较小，呈典型的”凹”状结构；

（2）双侧拼接新路基产生的附加应力在路基中心位置取得最小值，并由中间量路基远离方向中心线两侧扩大，呈现”凹”状结构。新路基顶面沉降由老路基交界处形成并由内向外逐渐扩大，在路肩边缘处取得最大路基沉降位移，在新旧路基交界处产生高剪应力区；

（3）随着路基高度的增加，路基表面的沉降值随之增大。随路基填料重度的增加，新路基地基差异化沉降增大，并在远离中心线距离处取得最大值；

（4）采用改良土体采用路基填筑材料，能够在一定程度上有效控制拓宽路基的差异化沉降，提高拓宽路基的整体稳定性。而采用设置基底垫层来降低路基的差异化沉降并不能取得很好的效果。

[1] 傅珍,王选仓,陈星光,等.拓宽道路工后差异沉降控制标准[J].长安大学学报:自然科学版,2008(5):10-13

[2] 傅珍,王选仓,陈星光,等.拓宽路基差异沉降特性和影响因素[J].交通运输工程学报,2007,7(1):54-57

[3] 刘光明.软土地基市政道路加宽工程路基差异沉降特性及处治措施综述[J].中外公路,2018,38(2):45-48

[4] 王志伟.山区高速公路路基差异沉降特性与控制措施分析[J].设备管理与维修,2018(11):121-122

[5] 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,2014,39(3):241-245

[6] 罗强,李铁,王佳敏,等.高速铁路路堤传递地基差异沉降特性及控制限值研究[J].中国科学:技术科学,2014,44(7):736-743

[7] 胡恩来.高速公路路基差异沉降特性与控制措施研究[J].四川建材,2018,44(2):167-168

[8] 李晋禹.天然地基上老路抬高加宽公路工程变形分析[J].工程与建设,2017,31(6):719-722

[9] 苏延敏,文堂辉.拓宽路基差异沉降的影响因素及其有限元分析[J].大众科技,2010(3):81-83

[10] 傅珍,王选仓,李宏志,等.高速公路拓宽路基差异沉降[J].交通运输工程学报,2010,10(6):25-31

[11] 范红英,折学森,边汉亮,等.高速公路拓宽方式对路基沉降的影响[J].交通运输工程学报,2012,12(1):13-18,37

[12] 吕锡岭.泡沫混凝土拓宽路基的差异沉降研究[J].水文地质工程地质,2012,39(3):75-80

[13] Ludovico MD, Verderame GM, Prota A,. Experimental Behavior of Nonconforming RC Columns with Plain Bars under Constant Axial Load and Biaxial Bending[J]. Journal of Structural Engineering, 2013,139(6):897-914

[14] Mitropoulou CC, Lagaros ND, Papadrakais M. Life-cycle cost assessment of optimally designed reinforced concrete buildings under seismic actions[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2011,96(10):1311-1331

[15] Li G, Fahnestock LA, Li HN. Simulation of Steel Brace Hysteretic Response Using the Force Analogy Method[J]. Journal of Structural Engineering . 2013,139(4):526-536

[16] 翁效林,马豪豪,梁东平.差异沉降条件下黄土拓宽路基协调机制模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(S2): 4002-4009

[17] 梁勇旗.高速公路加宽对路基变形影响研究[J].公路,2013(9):37-40

Analysis and Countermeasure Explore for Characteristics of Differential Subgrade Settlement of Mountain Expressway

WANG Chen-zhu

210096,

Taking a modified and expanded expressway as the object, the finite element software is used to construct the differential settlement characteristics and related influencing factors of the splicing and widening expressway surface. The results show that the minimum vertical shear stress is obtained at the central position of the subgrade by using the road widening construction scheme with double-side splicing, and is enlarged from both sides of the middle subgrade away from the Central Line of the direction. The settlement of the top surface of the new roadbed is formed at the junction of the old roadbed and gradually expands from the inside out. The maximum settlement displacement of the roadbed is obtained at the edge of the road shoulder, and the high shear stress zone is generated at the junction of the old and new roadbed. With the increase of the height of subgrade and the weight of subgrade filling, the settlement value of subgrade surface increases, and the maximum value is obtained at the distance far from the center line. Engineering practice, through the adoption of improved soil subgrade filling materials, to a certain extent, effective control of differential settlement of widening roadbed, and set the base cushion is adopted to reduce differential settlement of subgrade can not obtain good effect.

Expressway; subgrade settlement

U412.36+6

A

1000-2324(2018)05-0772-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.009

2017-10-28

2017-12-15

王晨竹(1990-),男,硕士研究生,主要研究方向为交通运输工程. E-mail:448617592@qq.com