高速公路加宽路基新旧结合部差异沉降控制研究

郭艳玲 李 刚 陈 维 朱云雄 刘泽辉

（1、越秀交通基建有限公司，广东 广州510000 2、湖南长株高速公路开发有限责任公司，湖南 长沙410129）

我国早期已经建成使用的高速公路中，由于受建设时期的社会经济条件、技术水平及建设思想的制约，大部分是双向四车道，部分枢纽互通匝道为单向单车道。随着我国经济的迅速发展，早期建成的高速公路已不能完全满足当今交通量发展需求，交通阻塞严重，交通量饱和。因此高速公路改扩建已成为公路建设中的重要工作之一，而中高速公路加宽时新老路基差异沉降就是面临最重要的问题之一[1-2]。

通常采用数值模拟、土工模型试验及现场试验的方法对新旧路基差异沉降特性进行研究，依靠这些方法，国内外学者取得了丰硕的成果。钱劲松等[3]采用数值模拟的方法研究分析拓宽方式及宽度、路基高度等一些重要影响因素对新旧路基差异沉降的影响，并根据所研究的问题给出了合理的解决措施。滕海生[4]运用PLAXIS 有限元软件对旧路加宽施工过程中台阶的开挖方案进行数值模拟分析，计算各种开挖方案下新旧路基的差异沉降，提出合理的施工方案。

在前人的研究成果之上，笔者依托湖南长株高速公路改扩建工程，借助有限元软件，建立数值分析模型。通过对不同的加宽宽度、填筑高度、路基模量和地基模量等因素的考虑，研究新旧路基在施工过程中变形特性，同时研究加宽路基填筑对旧路基应力和应变特性影响。以期对现场试验成果进行补充和完善。

1 工程概况

1.1 依托工程

研究依托湖南长株高速公路改扩建项目，长株高速（S21）公路全长41.574 公里，全线呈南北走向，主线采用四车道高速公路标准建设，起于长沙县黄花镇，止于与醴潭高速公路相交的龙头铺互通，株洲连接线止于株洲电机厂西北。项目地理位置示意图如图1 所示。

图1 项目地理位置示意图

1.2 地质情况

拟建路线主要穿越冲积洪积平原地貌单元区、剥蚀堆积山间平原地貌单元区及剥蚀丘陵及其边缘地貌单元区，沿线地形总体较平缓，第四系覆盖层厚度不均，下伏岩层主要为砂岩、泥岩及燕山期侵入脉岩等，地质情况较复杂。沿线路基的加宽方式有单侧分离式、单侧加宽式、双侧加宽式，地基处理方式主要是强夯处理，部分采用水泥搅拌桩处理。

2 有限元模型建立

本节借助midas 有限元数值模拟软件，通过改变加宽宽度和填筑高度，研究新旧路基在施工过程中变形特性。

2.1 计算模型建立

本章数值模拟选取一个基本工况，并形成5 种对比方案，每种对比方案中包含基本工况在内共有5 种工况。在基本工况的模型中，地基土由3 种土层组成，如图2 所示。

图2 计算模型

2.2 边界条件

计算模型近似为半空间无限体，模型底部边界采用xy 双向位移约束，侧边界采用法向位移约束，施加重力荷载和施加均布荷载。

2.3 本构模型及计算参数

老路基、新路基以及地基土均视为服从Mohr-Coulomb 屈服准则的理想弹塑性材料。根据地勘及设计资料材料参数见表1。

表1 计算参数

3 差异沉降影响因素

3.1 不同填筑高度对差异沉降的影响

由于高速公路改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，就路基填土高度对新旧路基结合处差异沉降影响的研究是有必要的。对路基填土高度分别选取5.0m、7.0m、9.0m、11.0m 和13.0m 等几种情况进行有限元数值模拟分析，分别计算各种情况下拓宽路基顶面各点的最终沉降，并绘制成沉降曲线。在计算中仍然以半幅路基为研究对象，新路基加宽宽度为3.5m，位移云图如图3 所示，计算对比结果如图4、图5 所示。

图3 填高变化下的位移云图

图4 填土高度对加宽路基沉降的影响

图5 不同填高时差异沉降

从图4 和图5 中可以看出，拓宽路基不均匀沉降随着路基填土高度的增加而增大，旧路中心的附加沉降越大。即新路基的最大沉降量和新旧路基结合处差异沉降都随着加宽宽度的增加而逐渐的增大。同时可以看出，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，从而旧路基的附加沉降变形就越小，所以沉降曲线前段的变化比较平缓；且当填土高度小时旧路基对新路基的沉降影响作用也较小，所以沉降曲线后段的变化也比较平缓。综上，随着路基高度的增加差异沉降和表面水平位移也逐渐的增加，且路基填土高度越小，加宽路基顶面沉降曲线就越接近“～”形。因此，在满足路基得最小填土高度前提下，控制路基填土高度可以有效减小差异沉降。

3.2 不同加宽宽度对差异沉降的影响

对两侧加宽方式进行考虑，由于路基呈对称结构，取一半路基计算，每侧的加宽宽度选取分别为2.5m、3.0m、3.5m、4.0m 和5.0m 时对拓宽路基的影响。路基高度选为7m，新旧路路基边坡都为1：1.5 时，其位移云图如图6 所示，并将不同加宽宽度的计算结果做如下对比分析，计算结果如图7、图8 所示。

图6 加宽变化下的位移云图

图7 加宽高度对加宽路基沉降的影响

图8 不同加宽宽度时差异沉降

由图7 和图8 可以看出，随着加宽宽度的增加，加宽路基不均匀沉降越大，旧路中心附加沉降逐渐变大。即新路基的最大沉降量和新旧路基差异沉降都随着加宽宽度的增加而逐渐的增大，且新旧路基结合处差异沉降增大较为明显。

4 结论

4.1 从沉降、水平位移和应力方面全面分析了拓宽路基差异沉降特性，拓宽路基的差异沉降曲线（取半幅）呈“～”形，在旧路基中心沉降最小，新路基路肩附近沉降最大，具体位置在新路基形心位置左右。

4.2 在填筑高度、路基参数和地基条件一致时，新路基的最大沉降量和新旧路基差异沉降都随着加宽宽度的增加而逐渐的增大，且新旧路基结合处差异沉降增大较为明显。加宽路基宽度为2.5m 时，路基顶面沉降最大15.18mm，最大差异沉降为4.73mm；加宽路基宽度为5.0m 时，路基顶面最大沉降达到2.66mm，最大差异沉降为3.99mm。因此，在满足路基最小拓宽宽度的情况下，控制路基宽度可以有效减小差异沉降。