高速公路改扩建路基形变特征及控制方案研究

班钰镇 吴文信 李俊明

摘要：文章介绍了高速公路改扩建施工中路基形变的具体分析方法，对改扩建路基形变特征进行了数值分析，搭建了数学分析模型，讨论了车辆超载作用下路基的形变规律，并针对高速公路改扩建施工中的路基形变问题，提出了具体的控制方案，如夯实基床表层、降低路基本体压密沉降和加强改扩建施工中的路基形变监控等。

关键词：高速公路;改扩建;路基;形变

0 引言

随着我国经济建设的不断深入，城市间的交通流量在迅速增长，对交通基礎设施和工程质量提出了新的要求。以我国的高速公路为例，为满足每年持续增长的交通运力，需要对高速公路进行拓宽、修缮等改扩建施工，部分高速公路的改扩建工程施工环境复杂，地质条件恶劣，给高速公路的改扩建施工带来了一定的难度和挑战。高速公路在改扩建过程中会遇到各类工程难题，其中以路基形变最为常见，这是因为在高速公路的改扩建施工中，常涉及到路基的拓宽施工环节，如果没有采取及时的加固等措施，会使路基在改扩建过程中发生形变，引发各类施工安全事故，对高速公路的行车安全也会带来一定影响。本文对高速公路改扩建施工中路基形变的特征进行了深入研究，提出了有效减少高速公路改扩建施工中路基形变的控制方案[1]。

1 改扩建施工路基形变分析方法

通常情况下的路基形变属于公路施工中较为常见的形式，随着我国高速公路基础建设的不断完善，尤其是在一些高等级的高速公路中，路基形变的出现不可避免。当前业内对路基形变的研究已取得了阶段性的研究成果，改扩建施工中路基形变分析方法通常包括以下几种：

1.1 定性分析法

定性分析法主要是对改扩建施工区域内的地质环境进行综合勘测，分析施工环境下路基具体的形变程度，研究引起路基形变的因素以及给工程施工带来的影响，进而确定路基当前的稳定性状态以及未来发展趋势。

1.2 非定性分析法

主要包括路基稳定性分析、随机过程分析、模糊数学法以及灰色聚类法等。路基稳定性分析包括概率统计学的一些理论，通过可靠度来代替安全系数，进而反映路基的安全状态，相比于传统的安全系数法具备一定的优势，使得对路基稳定性的分析更为客观。但其明显缺点主要是大量繁琐的统计工作、复杂的概率模型搭建，与常规的极限平衡法相比略显不足。随机过程法为一种纯数学的研究模型和方法，模糊数学法主要通过模糊理论，确定影响路基稳定的各个要素，通过确定各影响要素间的权重，进而建立相应的隶属函数进行综合权衡，灰色聚类法是以灰色聚类理论进行的路基稳定性评估方法[2]。

2 改扩建路基形变特征数值分析

2.1 搭建数学分析模型

该数学分析模型计算范围为：X轴方向124 m，Y轴方向0.2 m，Z轴方向93 m，路面厚度58 cm，局部模型如图1所示。

由于路基土参数的取值对于模型分析的结果具有一定的影响，且工程勘测数据中的路基性能指标确定了本部分数值模拟中的材料参数取值。数学分析模型材料参数取值如表1所示。

2.2 施工期路基形变特性分析

位于路基扩建位置的中上部常出现路基断面的较大铅直位移，表明铅直位移的位置与覆盖层厚度以及新路基高度具有较大的关系，铅直位移等值图如图2所示。

由图2可知，老路基在新路基的作用下将发生新的沉降形变。扩建路基通常使用分层填筑的方法，而扩建部分的路基最大铅直位移没有在路基顶部位置出现，说明已经在后续的土体表面进行累加，而对于高速公路的路基改扩建工程而言，路基在非固结状态下的沉降程度一般不大[3-5]。路基改扩建后的顶部沉降位移分布情况如图3所示。

沉降形变分布情况是位于新老路基结合处的铅直位移最大，在新老路基结合处，老路基沉降值最大，最大沉降为9.51 cm，且路基横向距结合处较远。研究发现，新路基的改扩建工程会使老路基发生不明显的沉降，当新路基逐层进行填筑时，使后续填筑的部分对于较早填筑的部分有一定的补偿功能。通过大量的工程试验可知，新路基顶部的沉降情况由最后填筑的部分决定，因此，当新路基填筑后，老路基沉降量相对较大[6]。

2.3 车辆超载作用下路基形变规律分析

图4为改扩建施工中路基顶部在经过一次车辆的超载后形变情况。当不考虑路基的前期填筑坡度时，路基顶部的沉降值接近20mm，为缓解路基中部因长期车辆的超载而引发的可能沉降量，应设置一定的横坡以便于路面排水，也可采取预先设置一定坡度的方式，兼顾路基横断面部分的施工。

路基顶部在经历一次超载作用后的形变值分布如图5所示，图5表明，设置在路基中部位置的坡度，使改扩建施工中的路基沉降量明显缩小，但通过实测可发现，新路基拓宽部分的沉降值相比于老路基而言仍然较大[7]。

当载荷为0.7 MPa时，新路基周边的塑性形变值为8.46 mm，随着载荷增加到1 MPa时，新路基周边的塑性形变值为31.7 mm，可见车辆载荷对于路基塑性形变的影响很大。如果路基的强度不对称或不足时，则会发生因载荷过重而使路面破损的情况。因此，在高速公路改扩建后的运营及管理方面，应对车辆超载现象予以重视[8]。单次车辆载荷情况下塑性形变对比如表2所示。

3 改扩建路基形变控制方案研究

3.1 夯实基床表层

由于高速公路的车流量较大，在车辆行驶过程中路面上的动应力较大，为使高速公路的路基在正常通车时的形变量尽可能小，必须保证高速公路的路基具有较大的强度和刚度。为此，应提高高速公路的路基强度，使路基更加稳固。路基上部允许的动应力不得超出路基下部所允许的动强度，在改扩建施工中应防止雨水渗入路基使基土软化，并防止翻浆、冒泥等情况发生[9]。

3.2 降低路基本体压密沉降

高速公路的路基本体密实度直接关系到扩建后路基的形变程度，在高速公路路基改扩建过程中，应严格控制路基本体的密实度和沉降范围，填筑材料应满足路基本体压密和沉降的特殊要求，在路基底层应使用A、B类填料或改良土，路基的压实密度越大，则改扩建施工后的沉降量越小。施工经验表明，高速公路的路基压实系数从0.85提高到0.90时，最终压缩量可降低约70%左右，因此，应严格控制高速公路路基本体的压密沉降[10]。

3.3 加强改扩建施工中的路基形变监控

高速公路的路基形变是一个缓慢而渐变的过程，一般不易被发觉。为严格控制高速公路改扩建过程中的路基形变量，应在路基改扩建的施工中对路基形变量进行监控，记录各施工时段路基的形变数值，获取真实、可靠的工程施工数据，为后续路基改扩建施工方案的修订以及路基形变量的分析提供实施依据，在最大程度上控制高速公路改扩建过程所引起的路基形变。

4 结语

本文以高速公路改扩建过程中的路基形变问题为主要研究内容，对高速公路改扩建过程中的路基形变特征进行了讨论，介绍了改扩建施工路基形变的分析方法，对高速公路改扩建路基形变特征进行了数值模拟，并提出了高速公路改扩建过程中控制路基形变的具体方案。

參考文献：

[1] 黄琴龙，凌建明，钱劲松. 新老路基工后差异变形对路面结构的影响[J]. 同济大学学报（自然科学版），2005，33（6）：759-762.

[2]黄琴龙，凌建明，唐伯明，等. 旧路拓宽工程的病害特征和机理[J]. 同济大学学报，2004，32（6）：197-201.

[3] 唐朝生，刘义怀，施 斌，等. 新老路基拼接中差异沉降的数值模拟[J]. 中国公路学报，2007，20（2）：13-17.

[4]苏德俊，詹 勇. 山区公路改扩建工程道路纵向开裂原因分析及防治[J]. 交通科技，2009（232）：41-43.

[5]翁效林. 高速公路拓宽路基差异沉降控制技术研究[D]. 西安：长安大学，2009.

[6] 杨小峰. 高速公路改扩建工程软土地基段路基加宽施工技术研究[D]. 大连：大连理工大学，2006.

[7]傅 珍，王选仓，陈星光，等. 高速公路拓宽差异沉降对路面结构的影响[J]. 长安大学学报（自然科学版），2008，28（3）：36-39.

[8]陈 磊，刘汉龙，陈永辉. 高速公路拓宽工程地基处理效果的数值分析[J]. 岩土力学，2006，27（11）：2 066-2 070.

[9]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.[ZK）]

[10]郭兰英. 车辆超载对路基路面强度和刚度的影响分析[J]. 路基工程，2006（1）：8-10.