王晨竹

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山區(qū)高速公路路基差異沉降特性分析及對策探討

王晨竹

東南大學(xué)交通學(xué)院, 江蘇 南京 210096

本文以某改擴建高速公路為對象，采用有限元軟件構(gòu)建拼接拓寬高速路面的差異沉降特性以及相關(guān)的影響因素。研究結(jié)果表明：采用雙側(cè)拼接的路面拓寬施工方案，在路基中心位置取得豎向剪應(yīng)力最小值，并由中間量路基遠離方向中心線兩側(cè)擴大；新路基頂面沉降由老路基交界位置形成并由內(nèi)向外逐漸擴大，在路肩邊緣處取得最大路基沉降位移，在新舊路基交界處產(chǎn)生高剪應(yīng)力區(qū)。隨著路基高度和路基填土重量的增加，路基表面的沉降值增大，在遠離中心線距離處取得最大值。工程實際中，通過采用改良土體采用路基填筑材料，能夠在一定程度上有效控制拓寬路基的差異化沉降，而采用設(shè)置基底墊層來降低路基的差異化沉降并不能取得很好的效果。

高速公路; 路基沉降

傳統(tǒng)偏遠山區(qū)建立的高速公路往往采用四車道或雙車道居多。近些年，隨著路運物流的發(fā)展，高速公路交通量增加，原有的四車道已經(jīng)難以滿足交通增長需求，就要求對現(xiàn)有高速路進行新建和擴建[1-3]。考慮到偏遠山區(qū)地帶受地質(zhì)環(huán)境和建設(shè)成本因素，更多的是在原有高速公路上進行舊路擴寬來滿足交通運輸要求。而舊路拼寬容易導(dǎo)致擴寬路基發(fā)生差異化沉降問題，給公路運輸帶來安全隱患[4-6]。目前，針對高速工況擴寬導(dǎo)致的路基差異化沉降，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進行了多方研究[7-12]，如日本人學(xué)者根據(jù)地基擴寬時新舊路面的不均勻沉降提出了一種基于半幅拓寬路基穩(wěn)定性和差異沉降的控制策略[13]；Mitropoulou CC等通過采用Fellenius分析法實現(xiàn)了對拓寬路基差異化沉降的穩(wěn)定性分析，并得到了基于擴寬路基差異化沉降變形的E-P曲線[14]；Li G等采用間隙填筑法進行軟土地基的填充作用，有效提高了地基應(yīng)力水平，控制了新舊路基差異化沉降[15]。

本文在總結(jié)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以某一工程實例為研究對象，通過建立有限元模型來分析路面拓寬下新舊路基路面差異化沉降的變化以及相應(yīng)的影響因素，給出路基拓寬前后的應(yīng)力和位移狀態(tài)變化規(guī)律。

1 模型構(gòu)建

1.1 工程背景

A高速位于貴州省南北向國道主干線，公路全長124 km，采用雙向四車道。項目改擴建起止里程K30+850~K102+450，全長45.456 km，主線路段擬在原路雙向四車道基礎(chǔ)上改擴建為八車道，采用兩側(cè)拼寬為主，局部單側(cè)分離和局部新建的施工方式。根據(jù)工程擴建情況，擴建前原有路基寬度為26.0 m，擴建后路段全幅路基寬42 m的斷面形式，每一側(cè)分別拓寬7.5 m或8.0 m。因此，本文選取路基尺寸模型的上部寬度為42.0 m的斷面結(jié)構(gòu)建立模型，兩側(cè)拓寬按照8 m進行計算，路基底部寬度66 m，路基下地基計算深度和計算寬度分別取20 m和200 m，路堤延伸長度取10 m，邊坡坡率為1:1.5。如表1所示為模型的計算設(shè)置參數(shù)。

表 1 模型的計算參數(shù)

1.2 模型網(wǎng)格劃分

以模型舊路基中心線地基地層為水平位移的基準(zhǔn)點，以舊路基中心線路基頂面為豎直沉降基準(zhǔn)點，設(shè)定垂直路基中線考路基段為水平正向，豎直向上為正向。為保證模型的計算速度，取網(wǎng)格劃分單位為2 m，根據(jù)公路結(jié)構(gòu)將整個模型劃分為259個單元，拱13463個節(jié)點，如圖1所示為經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的路基拓寬幾何模型。

圖 1 路基幾何模型網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果分析

2.1 路基沉降特性分析

圖 2 原路基的沉降特性云圖

圖2為經(jīng)過多年沉降的舊路基位移和沉降分析結(jié)果。從圖中可以看出，舊路基結(jié)果多年投入運營后，主固結(jié)已經(jīng)完成，路基位移沿中心線對稱分布，路基邊坡坡腳內(nèi)出現(xiàn)最大水平位移。路基沉降趨于穩(wěn)定，沉降分布表現(xiàn)出一個中心大兩邊小的凹狀結(jié)構(gòu)，坡腳處沉降與路基近表面差異明顯，而路基兩邊與中心之間的沉降差異性較小，這種凹狀結(jié)構(gòu)容易造成拓寬路基坡腳處發(fā)生積水現(xiàn)象。

為模擬路基拼接后產(chǎn)生的附加應(yīng)力對原有路基結(jié)構(gòu)的影響作用，分析拼接路基后整體結(jié)構(gòu)的沉降、應(yīng)力和水平位移變化規(guī)律。對8 m高新筑路基進行模擬，獲得雙側(cè)路基拓寬拼接后的新路基位移和應(yīng)力云圖。如圖3所示，從中可以看出，采用雙側(cè)拼接后拓寬新路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力導(dǎo)致舊路基頂面呈現(xiàn)出一個凸形，即路基中心位置最小，并由中間量路基遠離方向中心線兩側(cè)擴大。新路基產(chǎn)生的凸形沉降與舊路基的凹形沉降正好相反，原來最大沉降值出現(xiàn)在老路基中心處變?yōu)槌两底钚≈?。新路基頂面沉降由老路基交界處形成并由?nèi)向外逐漸擴大，在路肩坡腳2/3處形成較大沉降，在路肩邊緣處取得最大路基沉降位移。對比新老路基的沉降量可以發(fā)現(xiàn)，采用雙側(cè)拼接拓寬后的新路基沉降量要遠大于原有老路基。

圖 3 拼接拓寬路基的沉降特性云圖

從圖3中路基位移云圖中可以看出，新路基最大水平位移出現(xiàn)在新路基頂部以及新舊路基交界處老路基部分，在新路基坡腳處也產(chǎn)生較大的水平位移，表明水平最大位移由老路基坡腳處轉(zhuǎn)移到拓寬后的新路基坡腳位置。

對比新舊路基下的應(yīng)力分布如圖4所示，從應(yīng)力分布變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，拼接前的舊路基豎向位移發(fā)生在路基頂面寬度對應(yīng)的路基表面線以下，最大應(yīng)力值為0.13 MPa，表現(xiàn)出一個碗形分布，新路基豎向最大應(yīng)力出現(xiàn)在路基坡腳附近區(qū)域，最大應(yīng)力值為0.085 MPa?？梢钥闯觯侣坊唇雍蟮膽?yīng)力水平有所下降，且在新舊路基交界處產(chǎn)生高剪應(yīng)力區(qū)。因此，在對已有舊路基進行拓寬工程時，需防止由于路基填方過高而造成新舊路基發(fā)生相對滑移，導(dǎo)致邊坡滑塌事故。

圖 4 不同路基應(yīng)力云圖

2.2 雙側(cè)拼接路基差異沉降影響因素分析

2.2.1 不同拓寬高度的影響 選取不同路基拓寬高度分析拼接路基差異沉降的影響。本節(jié)中設(shè)定2 m、4 m、6 m、8 m六個不同路基拓寬高度，拓寬寬度為8 m，獲得不同路基拓寬高度下模型豎向沉降云圖如圖5所示。

圖 5 不同路基高度下的豎直沉降云圖

對不同路基高度下的豎向沉降云圖分析可以看出，路基高度為2 m時，位移新路肩處沉降值較路基中心線位置較小，即新路肩處并未產(chǎn)生最大沉降值。而其余路基高度模型中的最大沉降均發(fā)生在路肩附近，最小沉降發(fā)生在舊路基中心位置。隨著路基高度的增加，路基表面的沉降值隨之增大。因此，當(dāng)填土高度為4 m時，應(yīng)對路肩區(qū)域的沉降進行有效控制，避免發(fā)生反坡出現(xiàn)坑洼積水，導(dǎo)致道路使用性能下降。隨著距路基中心線距離的增加。

不同路基高度下的路基沉降量增加率表現(xiàn)出一個先增大后減小的趨勢，如圖6所示。當(dāng)路基高度為分別為2 m、4 m、6 m、8 m時，路基差異沉降值分別為2.60 cm、4.37 cm、5.33 cm、6.02 cm。隨著路基高度增加，新舊路基差異沉降的增幅逐漸較小，路基高度有2 m增加到8 m時，差異沉降增加73%。

圖 6 不同路基高度下差異沉降

2.2.2 路基填料重度的影響分別取4 kN/m3、8 kN/m3、12 kN/m3、16 kN/m3路基填料重度來分析不同填料重度下的拼接新路基發(fā)生的差異化沉降。其他參數(shù)不變，采用相同幾何尺寸的舊路基，新拼接路基采用雙側(cè)拓寬，單側(cè)拓寬拼接寬幅為8 m，獲得不同路基填料重度下的沉降云圖見圖7所示。

圖 7 不同填料重度下的新拼接路基沉降云圖

對比不同路基填料重度下的拼接路基沉降云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨路基填料重度的變化，新路基地基沉降變化較大。新路基頂面沉降值隨著距離路基中心線距離的增大而不斷增大，并在遠離中心線距離處取得最大值，16 kN/m3路基填料重度下，距離路基中心線20 m處取得最大沉降值5.534 cm，而4 kN/m3路基填料重度下相同位置處的最大沉降值為1.462 cm，最大沉降提高了398%；對于拓寬后的地基層，當(dāng)新路基填料為4 kN/m3時，最大沉降值出現(xiàn)在距新路基中顯現(xiàn)20 m處，最大沉降值為1.983 cm，當(dāng)新路基填料為12 kN/m3時，最大沉降值出現(xiàn)在相同的位置，最大沉降值為8.013 cm，最大沉降提高了351%。

2.2.3 路基基底墊層的影響 為加快路基填筑施工進度，保證填筑質(zhì)量，通常會在地基清表工作完成后填筑碎石層。為模擬工程實際情況，本文采用Drucker-Prager非線性模型來模擬十層層材料對拓寬路基差異沉降的特性分析。設(shè)定碎石墊層重度為21 kN/m3,彈性模量取120 MPa,泊粘聚力為6 kPa,泊松比0.10，內(nèi)摩擦角為40o，碎石墊層計算厚度為1 m，墊層寬度為9.5 m，如圖8所示為設(shè)置碎石墊層厚度拓寬路基位移云圖對比。

圖 8 新路基基底設(shè)置墊層前后路基沉降云圖對比

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

從位移云圖的對比中可以看出，在設(shè)置路基基底墊層前后，路基沉降分布并未表現(xiàn)出較大的變化，路基最大沉降由未設(shè)置墊層時的8.04 cm下降為設(shè)置后的7.52 cm，降低0.48 cm，因此實際工程應(yīng)用中，在保證地質(zhì)條件和路基狀況良好時，采用設(shè)置基底墊層來降低路基的差異化沉降并不能取得很好的效果。

3 結(jié)論

（1）舊路基路基位移和應(yīng)力沿中心線對稱分布，路基邊坡坡腳內(nèi)出現(xiàn)最大水平位移。坡腳處沉降與路基近表面差異較大，路基兩邊與中心之間的沉降差異性較小，呈典型的”凹”狀結(jié)構(gòu)；

（2）雙側(cè)拼接新路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力在路基中心位置取得最小值，并由中間量路基遠離方向中心線兩側(cè)擴大，呈現(xiàn)”凹”狀結(jié)構(gòu)。新路基頂面沉降由老路基交界處形成并由內(nèi)向外逐漸擴大，在路肩邊緣處取得最大路基沉降位移，在新舊路基交界處產(chǎn)生高剪應(yīng)力區(qū)；

（3）隨著路基高度的增加，路基表面的沉降值隨之增大。隨路基填料重度的增加，新路基地基差異化沉降增大，并在遠離中心線距離處取得最大值；

（4）采用改良土體采用路基填筑材料，能夠在一定程度上有效控制拓寬路基的差異化沉降，提高拓寬路基的整體穩(wěn)定性。而采用設(shè)置基底墊層來降低路基的差異化沉降并不能取得很好的效果。

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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,碩士研究生,主要研究方向為交通運輸工程. E-mail:448617592@qq.com