软土地基公路加宽路基差异沉降分析

王鑫 张强

【摘    要】：针对差异沉降对软土地基道路加宽的影响，采用有限元方法分析了软土地区路基加宽过程的地基沉降规律及影响旧路基附加沉降的各种因素，得出软土地基路基加宽不仅要控制工后路拱横坡度的增大值，还需避免路面结构层开裂角度控制以不均匀沉降的结论。

【关键词】：软土地基；公路；路基加宽；差异沉降

【中图分类号】：U416.1【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）03-09-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.03.003

Analysis of Differential Settlement of Widened Road Base on Soft Ground Highway

WANG Xin，ZHANG Qiang

（Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300392，China）

【Abstract】：Focused on influence of differential settlement on the widening of roads with soft ground， the paper uses finite element method to analyze the foundation settlement law in the process of widening of roadbeds in soft soil areas and various factors affecting the additional settlement of old roadbeds， proposes that the widening of soft ground road base should not only control the post-work increase value of road arch transverse slope， but also control the uneven settlement from the perspective of avoiding the cracking of pavement structure layer.

【Key words】：soft soil foundation；highway; roadbed widening；differential settlement

由于新舊路基地基的固结程度不同，公路拓宽改造，尤其是在软土地基上进行加宽时，新路基施工会诱发新的附加沉降，导致地基的出现横向差异沉降，造成旧路路面纵向开裂甚至错台[1～2]。目前，规范对路基拓宽仅考虑控制路拱横坡度的工后增大值且规定的较为宽泛[3]，对工程实际指导意义不大，已有文献对差异沉降控制标准进行了分级研究[4]；但针对软土地区的相关研究较少。为此，本文结合实际工程，应用有限元软件研究软土地基新旧路基的差异沉降及新路基的工后沉降变化规律，提出软土地基路基加宽控制指标。

1 新路基填筑对旧路的影响

1.1 模型的建立

模型选取双向4车道，顶面宽26 m，两侧对称加宽，加宽路堤边坡均取1∶1.5，旧路路堤弹性模量取固定值40 MPa。左边界为对称轴，竖向自由、水平约束，不排水；下边界竖向和水平均固定，排水；右边界竖向自由、水平固定，不排水；上边界竖向和水平均自由，排水。淤泥质粉质黏土采用修正剑桥模型参数，超固结比1.0、正常固结线斜率0.127、超固结线斜率0.008、初始孔隙比1.4、临界状态线斜率0.324；其余路堤采用线弹性模型。见表1。

1.2 影响分析

1.2.1 新路基填筑对孔隙水压力的影响

经过多年行车荷载作用，旧路地基的沉降已经稳定，但新路基的施工必将对旧路基产生新的附加沉降，如果沉降量超过允许值，则旧路基纵向产生裂缝。对拓宽路基坡脚处的地基孔隙水压力进行模拟分析发现，旧路基施工沉降稳定后，随着新加宽路基的施工，坡脚处的孔隙水压力重新增高，最高达到施工前压力的90%[5]。路基高度取6 m，旧路施工8 a后加宽，对路基中线处的地基孔隙水压力变化情况进行模拟分析。旧路施工3 a后孔隙水压力已趋于稳定；但随着新路基加宽施工，旧路中心处孔隙水压力会随之出现波动，峰值约为加宽前最大值的10%左右，压力波动虽没有坡脚处剧烈，但同样会引起旧路中心的沉降。见图1。

1.2.2 不同加宽宽度对旧路的影响

在地质条件相同的情况下，取路基分别加宽5、8.25、12.5、16、32 m，分析引起的旧路附加变形。见图2和见表2-表3。

随着加宽宽度的增加，旧路路堤顶面的附加差异沉降逐渐增大；即使是加宽路堤仅为5.0 m，也会引起横坡的较大改变。因此，扩建过程中，为减少附加不均匀沉降，应选取合理的新旧路堤拼接方案和软基处理方案。

横坡的改变量随加宽宽度的增加也逐渐增大，但远<0.5%。故加宽工程如果单纯考虑加宽后新路路肩与旧路中心的横坡改变量，新路横坡的改变量一般都<0.5%；因此，在考虑新旧路基差异沉降的控制标准时，不应仅仅考虑加宽后新路路肩与旧路中心的沉降差，还应考虑施工过程中旧路横坡的改变量，以避免造成旧路纵向裂缝的发生。

1.2.3 不同填筑高度对旧路的影响

以拓宽部分路堤宽度8.25 m为例，分析不同路基填高时加宽路堤引起的旧路的附加沉降。见图3和表4。

旧路路堤顶面的附加差异沉降随拼接高度的增加逐渐增大且最大差异沉降发是路基填高约5 m时；而后随路基填高的增加，差异沉降减小，主要是由于路基填高的增加，旧路路基的宽度也越大，新增荷载对旧路基的影响反而越小。

1.2.4 不同软土厚度对差异沉降的影响

路基填高6 m，分别研究软土厚度为3、6、10、15 m时附加沉降的变化。见图4和表5。

随着软土厚度的增加，旧路基路肩及旧路路中的附加沉降量也明显增加，但横坡的改变量随着软土厚度的增加而减小；故在拓宽工程中，虽然软土的厚度较小，但对于其所引起的附加沉降也应给予足够重视。

2 容许差异沉降分析

现行规范规定，路基拼接时应控制新旧路基之间的差异沉降，原有路基与拓宽路基的路拱横坡度的工后增大值不应＞0.5%[3]。这条规定主要是以控制新旧路基的差异沉降为原则，避免在路基拓宽过程中一味地对拓宽部分的新路基采取加固措施，追求控制新路基的沉降量，而忽視了旧路基的附加沉降，造成加宽部分的新路基沉降较小，但旧路基的沉降却很大，导致路面横向平整度差，甚至是出现折点、反坡、凹形等。

以双向4车道公路为例，旧路路肩与路中的距离为13 m，路面结构为4 cm细粒式沥青混凝土（AC-13C）+6 cm中粒式沥青混凝土（AC-20C）+8 cm粗粒式沥青混凝土（AC-25C）+1 cm下封层+18 cm水泥稳定碎石上基层+18 cm水泥稳定碎石下基层+18 cm石灰土（12%）底基层。材料参数按照JTGD 50—2017《公路沥青路面设计规范》中值选取。

随着新旧路基的沉降差异增大，路面各结构层的层底拉应力随之增大；受材料刚度影响，相同差异沉降下，水泥稳定碎石基层的层底拉应力远大于面层及底基层拉应力，因此，在旧路拓宽时，应着重考虑半刚性基层的应力。见图5。

水泥稳定碎石劈裂强度范围在0.4～0.6 MPa，当新旧路基不均匀沉降达到4 cm，基层拉应力已超过0.6 MPa，基层将会出现开裂破坏，而此时路拱横坡度的改变量约为0.3%，远<0.5%。由此可以看出拓宽不仅仅需要考虑控制路拱横坡度的工后增大值，还需从避免路面结构层开裂角度去控制不均匀沉降。

3 结论

1）随着加宽宽度的增加，横坡的改变量也增大，但改变量远小于路基设计规范0.5%的规定。

2）随着拼接高度的增加，加宽路堤填筑引起的旧路路堤顶面的附加差异沉降也逐渐增大且最大差异沉降发生在路基填高约5 m时。

3）随着软土厚度的增加，旧路基路肩及旧路路中的附加沉降量也明显增加，但横坡的改变量随着软土厚度的增加有所减小。

4）路基拓宽不仅仅需要考虑控制路拱横坡度的工后增大值，还需从避免路面结构层开裂角度去控制不均匀沉降。

参考文献：

[1]徐全亮，宋琦，刘 钱. 滨海软土公路路基拓宽拼接位移与应力分析[J]. 公路，2019，64（10）：68-73.

[2]侯志峰，靳灿章. 软土地区道路加宽工程路基差异沉降特性研究[J]. 城市道桥与防洪，2020，（5）：232-235+27.

[3]JTGD 30—2015，公路路基设计规范[S].

[4]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.

[5]熊伟. 软土地基公路改扩建沉降控制标准及方法研究[J]. 交通科技，2015，（5）：98-99+105.