低路堤沉降影响因素分析

宁瑞林，崔亚萍，郝建军

（北京奥科瑞检测技术开发有限公司，北京 102488）

1 引言

低路堤，是相对于高路堤而言的一种概念，它在《公路路基设计规范释义手册》的定义是填土高度小于路基工作区深度的路堤。路堤高度过高所带来的问题已经得到了各级部门的关注，一些负责道路设计的单位已经开始转变自己的设计理念，提出了低路堤公路设计的理念。目前在国内多个高速公路得到应用，主要包括济青高速公路、江苏省苏州绕城高速公路西南段、上海莘奉金高速公路。通过低路堤设计不仅能够有效降低工程造价，还能够避免工后不均匀沉降等病害，便于后期维护。

在美国、法国等发达国家，高速公路的建设和发展较早，国外普遍采用较低路堤的原因是人口密度小，农业耕作相对集中，横向穿行少，国外发达国家农业机械化程度较高，作业面积较大，农业耕作所需的横向穿越较少，可以接受的绕行距离也长，同时发达国家出行的交通工具以汽车为主，机械化出行比例较高。而在我国，人口密度较大，又有大面积的农耕区，相对于发达国家公路建设起步也较晚。因此，低路堤的应用在国内还不是那么的广泛，有待进一步的研究和探索。

2 差异沉降的影响因素分析

2.1 拓宽宽度和方式对差异沉降影响

2.1.1 单侧加宽

路基加宽具有多种形式，在高度为4 m的路基进行单侧加宽时，差异沉降的效果较为显著，会随着拓宽宽度的增加而增加。当路基拓宽的宽度达到了4 m时，新旧路基的最大差异沉降达到7.60 cm；当拓宽的宽度从4 m增加到8 m的时候，最大的差异沉降会增加到12.20 cm，增加了4.60 cm；在路基的宽度由8米扩宽到12米的时候，产生的差异沉降不显著，仅仅只有1.8 cm。也就是说，差异沉降的提高与路基扩宽宽度的提高并不是同步进行的。在路基拓宽宽度较小时，在新路基边缘处容易发生交大的差异沉降；但是，随着路基拓宽宽度的增加，此后差异沉降出现的位置越来越向道路内侧进行移动，同时还会有横坡出现在新路基当中。当出现差异沉降时，必然会导致积水问题的产生，同时还可能因车辙导致在差异沉降区域产生不均匀受力。造成路面的纵向破坏。因此，在进行拓宽建设时，要对拓宽宽度进行重点验算，建议其不能超过8 m。

2.1.2 双侧加宽

当路基拓宽在两侧同时进行时，其出现的差异沉降曲线和一侧拓宽出现的曲线基本相同。不过，由于是在双侧，导致其出现的最大差异沉降会有所降低。之所以出现这一问题，主要是因为两侧受力平衡导致。但是在新路基重力的作用下，会导致旧路中心产生较大的差异沉降，对此问题要予以特别的关注。

2.2 差异沉降受路基高度的影响分析

填土高度因在不同的公路工程中是各不相同的。对于拓宽公路而言，稳定性会随着路堤高度的增加而降低，其产生的不均匀沉降也就越大。所以对路基填土高度要进行必要的研究，从而找到差异沉降产生的原因和寻找对策。具体而言，假设土基的压缩模量是4 MPa，分别取2 m、4 m、6 m、8 m为路基填土高度，得到的最终拓宽路基顶面最终沉降结果可见图1所示。

由图1可知，拓宽路基随着路基高度的增加其不均匀沉降也随之增加。拓宽路基的最大差异沉降在路基高度是4 m、6 m、8 m时，分别达到了11.32 cm、12.19 cm、13.10 cm。在路基高度仅为2 m时，所产生的最大差异沉降仅为6.38 cm。由此可知，拓宽路基的顶面曲线随着路基高度的降低接近“～”形。

图1 最终沉降在不同高度路基顶面结果

2.3 路堤沉降计算中所存在的问题

路基沉降，指的是在施工期或者运营期内，路基的某基准点（如路基顶面或地基表面），在自重应力、交通荷载与施工的作用下，伴随时间因素和自然环境的影响，因软弱地基或者填方的压缩变形而产生的高程差。根据沉降产生时段的不同，沉降又可以分为工后沉降和施工期沉降。而不均匀沉降则是指路基的顶面上不同位置的沉降有差异的现象，其沉降差值就是不均匀沉降值，一般用横断面上的路基顶面中心处和边缘的沉降差值来表征。

填方路基的竖向位移常被定义为沉降，路堤沉降是路基变形分析的主要内容，也是稳定性监测的重要指标。路基设计应该要控制路基的工后沉降量。对于软弱地基、路基与桥涵结构物连接处、路基填挖交界处、高路堤、陡坡路堤等位置，应该要采取综合措施来防止路基的不均匀变形。

在路基稳定性正常的情况下，沉降产生的主要原因是地基的固结压缩；而在失稳的情况下，滑动土体上基准点的沉降还包括滑体位移的竖向分量。沉降分析主要是预测路基在填筑过程中及在填筑完成后可能产生的沉降。沉降分析的方法有简单的分层总和法和复杂的有限元分析方法等。在路基沉降的计算中，还有以下几方面的问题。（1）计算主固结沉降时存在的问题；（2）计算瞬时沉降的问题；（3）计算次固结沉降的问题；（4）计算总沉降的问题。

3 车辆荷载对路基土沉降变形的影响

3.1 不同轴载作用下的路基应力与深度关系的分析

采用弹性半空间体系理论对在标准轴载作用下、超载30%、超载60%以及超载100%的这几种情况进行计算与分析。表1的计算中，AC-13模量取1 800，AC-16模量取1 600，AC-25模量取1 400，水泥稳定粒料基层模量取1 900。

表1 不同轴载的当量圆半径、双圆中心距离表

标准轴载作用下的路基应力与深度的关系由BISAR软件计算出的结果下图2所示。

图2 不同轴载作用下应力与深度的关系

由上述的各种轴载作用下，应力与深度关系的计算结果可以看出，在车辆荷载作用下，路基各层的层底拉应力随所处深度的增加而减小。随着荷载的增大，同一深度处，受到荷载越大的拉应力也越大。深度一米以下的路基中所受到的应力才会十分小，所以说，设计适用于低路堤的路面组合以减少荷载对路基的影响还是十分有必要的。

3.2 交通荷载下低路堤高速公路路基沉降规律分析

交通荷载是高速公路路基产生沉降的重要原因之一，道路协会对路基的沉降进行了实际观测，发现在通车后路基沉降增加迅速。黄永强对湖南省境内已经运营的高速公路的病害情况进行了调研，发现路基路面结构的病害主要是由交通荷载作用下红砂岩路基填料的流变而引起的。

在文章中运用BISAR对在标准轴载作用下、超载30%、超载60%以及超载100%的这几种情况的路基沉降和深度的关系，如下表2。

表2 各种荷载作用下路基沉降与深度的关系

做出的关系曲线如下图3所示。

图3 各种荷载作用下路基沉降与深度的关系曲线

由图3可以得出结论，在车辆荷载的作用下，路基各层结构层的沉降是随着深度的增加而降低的，同时，车辆荷载值越大，沉降也就越大。因此，在进行路面结构组合设计的时候，就要尽可能地让面层吸收更多的荷载，这样下面的路基和土基所承受的荷载才有可能能够更小。

4 低路堤的合理填筑高度影响因素分析

4.1 技术因素

路基、路面以及交叉工程等设施会对路基高度产生直接的影响，具体包括：

（1）确保路基处于干燥或中湿状态的路基临界高度。路基的干湿类型是按照地下水毛细润湿面与路基的相对位置来确定的。需要对地下水位进行重点考虑，同时还要考虑毛细水上升对其的影响。

（2）需要满足在中央分隔带中的横向排水要求。

（3）要满足因交通荷载而引起的剪应力和变形的要求。在进行路基填筑时，要尽可能保证所产生的附加应力只有弹性变形的结果，同时还能够保证在交通荷载下路基具有足够的稳定性和强度，满足使用要求。

4.2 社会、经济因素

社会以及经济因素对路堤高度的影响，主要在出行习惯和占用土地这两个方面。

（1）出行习惯。附近居民在通过高速公路时存在一定的困难，往往需要设置过路涵洞。一般会造成人为的阻隔，本来很近的距离往往需要绕路，这在一定程度上打破了过去的生活方式。

（2）占用土地。公路建设需要占用大量的土地，其中包括大量的基本农田，每一条公路建设是必须的。因此，对这一矛盾进行合理解决，不仅可以加快公路建设速度，还能够有效提高土地的利用效率。

5 结语

近年来低路堤的设计方案受到越来越多人的推崇，在阅读了参考文献并分析低路堤存在的问题之后，笔者运用BISAR软件进行了大量的计算。通过计算和分析之后归纳出以下几点结论。

（1）低路堤虽然有其缺点，但是与其优点相比较起来还是利大于弊。而且我国的低路堤发展还没有达到那么的完善，因此，低路堤在我国的发展前景还是十分良好的。

（2）通过控制荷载的变化，得出了随着荷载的增加，路基及下层的土基中所产生的应力和位移也随之增加的结果。并且将几种荷载汇总进行比对，结果表明，道路所受的荷载越大，同一深度处所产生的应力和位移也越大。

（3）在进行路面结构组合设计的时候，就要尽可能地让面层吸收更多的荷载，这样下面的路基和土基所承受的荷载才有可能能够更小。

（4）进行低路堤设计时，要充分考虑技术因素、社会经济因素、交通安全因素和环境景观因素。