張軍輝，吳厚銘，周平

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650501)

近年來，中國(guó)建成運(yùn)營(yíng)的高速公路已不能滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展所需的交通量[1]。車流量和行車荷載急劇增加，局部地區(qū)擁堵、超載現(xiàn)象嚴(yán)重，道路病害日益劇增，嚴(yán)重地影響和危害著道路的交通安全。一些高速公路的改、擴(kuò)建已成為當(dāng)前緩解交通擁堵的迫切需求。高速公路改、擴(kuò)建是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。為了防止拓寬路基在填筑過程中產(chǎn)生過大的不均勻沉降，必須采取有效措施提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。找出適宜的測(cè)試沉降的方法，控制填筑過程中路基的差異沉降，對(duì)道路施工和后期維護(hù)具有重要意義。

路基改、擴(kuò)建中，地基的基本特性直接影響到拓寬路基的沉降，影響到施工的進(jìn)度和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)此展開了相關(guān)研究。夏英志[2]等人采用有限元軟件，對(duì)高填方路堤差異沉降特性進(jìn)行了研究。李洪峰[3-4]等人針對(duì)軟土地基處置措施與地基沉降預(yù)測(cè)模型分析進(jìn)行了研究。張軍輝[5-6]等人采用有限元模擬的方法，分析了拓寬改建而成的路基變形演變規(guī)律。左文榮[7]等人通過有限元計(jì)算了拓寬軟土路基的沉降變形，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比研究。傅珍[8]等人利用離心模型試驗(yàn)，研究了拓寬高速公路老路基固結(jié)沉降和新老路基拼接后表面沉降的變化規(guī)律。賈亮[9]等人通過工后沉降的方法，對(duì)高填方路堤進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了路堤豎向位移與時(shí)間的相關(guān)性。范紅英[10]等人研究了非均勻沉降變形的影響因素與施工技術(shù)。葛苗苗[11]等人采用數(shù)值分析與工后沉降結(jié)合的方法進(jìn)行了反演預(yù)測(cè)。Zhang[12]等人通過離心機(jī)模型試驗(yàn)和使用ABAQUS數(shù)值分析的方法，模擬新路基的差異沉降。劉金龍[13]等人基于非線性有限元方法，對(duì)擴(kuò)建工程的基本特征進(jìn)行了探究。這些研究成果大多是運(yùn)用不同方法和手段，研究了不同類型典型斷面的沉降，但多數(shù)是采用數(shù)值模擬或者是實(shí)測(cè)等單一的方式對(duì)路基沉降進(jìn)行了研究，而綜合考慮數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)的研究較少。因此，作者擬通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算來研究新、老路基的差異性沉降規(guī)律，并依托蓮株公路改、擴(kuò)建工程進(jìn)行研究，以期為類似高速公路拓寬路基的沉降控制提供借鑒。

1 拓寬路堤沉降現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 工程概況

蓮株公路改、擴(kuò)建工程始于湘贛省界蓮花沖，終于株洲市紅旗立交橋東，連接蓮易公路株洲至易家灣段，全長(zhǎng) 50.384 km。采用“單側(cè)整體拓寬為主，局部分離”的方式進(jìn)行雙向四車道改、擴(kuò)建路基。K1100+360 是(K1093+829～K1111+907)高填方典型斷面，該段舊路寬12 m，已運(yùn)營(yíng)了20多年，路基路用狀況較差。采用右幅單側(cè)拓寬，拓寬寬度為9.5 m，路基填高9.6 m。填料采用水泥改良土，層鋪橫向未鋪設(shè)土工隔柵，邊坡坡比為1:1.5。采用橫剖管綜合測(cè)試技術(shù)，對(duì)斷面進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)。

1.2 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)

1) 觀測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)

橫剖管變形觀測(cè)點(diǎn)位設(shè)置在新路堤的底部，采用型號(hào)為 ZMZX-7030的綜合測(cè)試儀(量程為 650～3 000 Hz，精度為0.01% FS)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)2次檢測(cè)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，求得其沉降差，觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置如圖1所示。

2) 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置及埋設(shè)

采用剖面沉降觀測(cè)的方法，對(duì)斷面K1100+360進(jìn)行了長(zhǎng)期沉降監(jiān)測(cè)。該方法是指將剖面沉降儀通過塑料管綁定后插入埋設(shè)在路堤底部的橫剖管中進(jìn)行的測(cè)量方法。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置示意Fig. 1 The buried point of the observation points

3) 監(jiān)測(cè)頻率

監(jiān)測(cè)頻率取決于路基的沉降速率，如：在拓寬期間，沉降變形速率較大，則監(jiān)測(cè)頻率需要較高。通常每填筑2～3層或5～10 d監(jiān)測(cè)一次。預(yù)壓初期(1～2個(gè)月)平均每月監(jiān)測(cè) 3～4次，后期沉降趨于緩和，可調(diào)整為平均每月監(jiān)測(cè)一次。若上、下層施工間歇較長(zhǎng)，則可適當(dāng)提高監(jiān)測(cè)頻率。

4) 動(dòng)態(tài)控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D30-2015)》和《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則(JTGT D31-02-2013)》，在路基拓寬施工期采用動(dòng)態(tài)控制標(biāo)準(zhǔn)。即：在路基填筑施工期，沉降位移速率小于5 mm/d，水平位移速率小于3 mm/d。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1) 不同填筑高度與沉降變形分析

K1100+360斷面處為挖2層面板鋪筑新路面，不同填高度路堤的累積沉降量如圖2所示。

從圖2中可以看出，填土高度與累計(jì)沉降量呈正相關(guān)性。即：填高越高，沉降越顯著，但填高與沉降量并非線性關(guān)系。隨著填高繼續(xù)增加至填筑完成，沉降量逐漸減小且趨于穩(wěn)定。從圖2中還可以看出，管終端為路基沉降量的最大點(diǎn)，也就是沉降量的最大值發(fā)生在靠近老路基邊緣即橫剖管頂端處。

圖2 K1100+360斷面不同填土高度路堤的累計(jì)沉降量Fig. 3 The accumulated settlement of embankment at different filling heights of K1100+360 section

2) 填筑過程與沉降變形分析

根據(jù) K1100+360斷面的現(xiàn)場(chǎng)橫剖管沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出每次監(jiān)測(cè)時(shí)沉降量的最大值及對(duì)應(yīng)的橫剖管上的填土高度，如圖3所示。

從圖3中可以看出，從填筑開始到填筑完成，橫剖管頂端靠近老路堤邊坡坡腳的沉降量最大，新路堤最外側(cè)坡腳的沉降量最小。填筑到設(shè)計(jì)填高9.6 m時(shí)，老路堤邊坡坡腳累積沉降量的最大值為100.98 mm，累積沉降速率為0.25 mm/d，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范(＜5 mm/d)要求。設(shè)計(jì)填高完成后，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)得工后累積沉降量的最大值為106.89 mm。隨著填筑高度的增加，橫剖管靠近老路堤坡腳的沉降量呈現(xiàn)直線下降，沉降較為明顯，而新路基最外側(cè)坡腳的沉降量趨于平緩。

圖3 K1100+360斷面路堤填筑過程與沉降曲線Fig. 3 Embankment filling process and settlement curve of K1100+360 section

3) 設(shè)計(jì)填高完成后路堤沉降與時(shí)間的變化分析

填筑完成后，繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)得工后變形與時(shí)間的關(guān)系，并與填筑期間的變形進(jìn)行了比較，判斷路堤是否穩(wěn)定。填筑完成后，路堤工后沉降與時(shí)間的關(guān)系，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在停止填筑以后，路堤還在繼續(xù)沉降，期間累積沉降量為5.91 mm，日均沉降速率為0.064 mm/d，路堤的沉降量均較小且逐漸趨于穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求(＜5 mm/d)。

圖4 路堤沉降與時(shí)間的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the embankment settlement and time

2 拓寬路基差異沉降的數(shù)值分析

2.1 模型的建立

選擇蓮株公路改、擴(kuò)建工程的一個(gè)典型斷面進(jìn)行模擬計(jì)算。將模擬段的地基厚度取30 m，設(shè)計(jì)高度為9.6 m，計(jì)算寬幅為70 m，填料選用老路標(biāo)段附近的挖方改良土?？紤]到蓮株公路既有路基已運(yùn)營(yíng)了 20多年，其數(shù)值模擬時(shí)，在自然條件和交通荷載的作用下固結(jié)已完成，因此，不考慮地下水的滲流、固結(jié)。該模型數(shù)值計(jì)算時(shí)，假設(shè)：①地基和填筑路基土體均選取Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型；②以現(xiàn)有路基為中軸線，選取加寬面進(jìn)行模擬計(jì)算；③地基底面受到水平和縱向約束，左、右邊界受到水平約束；④地基已完成固結(jié)變形；⑤結(jié)合面連接效果較好，不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)；⑥將既有路基的交通荷載等效為10 kPa靜載[14]。

K1100+360斷面路基的網(wǎng)格控制屬性以四邊形為主，網(wǎng)格單元2 770個(gè)，節(jié)點(diǎn)2 479個(gè)，如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分(單位：m)Fig. 5 The mesh generation of the model (unit:m)

選取從室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)測(cè)試中獲得的標(biāo)段老路基附近的挖方段水泥改良土的基本參數(shù)，土樣材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 The material parameters

2.2 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

為分析路基的整體沉降和新路基豎向沉降位移，通過數(shù)值模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)橫剖管所得豎向沉降位移進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比曲線如圖6所示。

圖6 橫剖管監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬沉降量的對(duì)比Fig. 6 The settlement contrast of cross-section tube monitoring with numerical simulation

從圖6中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)沉降實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值比對(duì)的沉降變化趨勢(shì)一致。越靠近新路基路中線，其沉降變形越大，路基沉降量中間大、兩邊小，呈現(xiàn)“碗盆狀”。對(duì)于該模型，在累積填筑完成后，土體的沉降趨勢(shì)逐漸放緩。隨著時(shí)間的增加，沉降量越來越小，直至穩(wěn)定。地基沉降量的最大值位于路堤整體形心位置，路面沉降呈現(xiàn)“勺子”形狀，符合工程實(shí)際規(guī)律。

采用逐級(jí)施加荷載的有限元計(jì)算方法，選取同一斷面，對(duì)不同填筑高度位移的實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。拓寬地基的豎向位移隨著填土高度的增加而增大，有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律趨于一致。通過數(shù)值模擬計(jì)算，可以預(yù)測(cè)路基的沉降量，指導(dǎo)路基的填筑層厚和控制沉降速率，保障拓寬路基的沉降量穩(wěn)定。

2.3 參數(shù)靈敏度分析

1) 不同拓寬路基高度的影響分析

采用與 K1100+360斷面相同的數(shù)值模型和邊界條件，對(duì)不同拓寬路基填高進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，路基填高與坡腳沉降量的關(guān)系如圖7所示。

從圖7中可以看出，路基的拓寬填高從2 m增加到10 m，老路基邊緣坡腳沉降量的最大值分別為54.62,93.54,115.90, 118.07和122.62 mm。填高從2 m增加到 6 m時(shí)，沉降量為61.28 mm，老路基邊緣坡腳沉降變形最大。填高從6 m增加到 10 m時(shí)，沉降量為6.72 mm，沉降變形減緩，且趨于穩(wěn)定。其原因在于：隨著路基填高的增加，其承受的自重荷載也增加，使得沉降量增加。故在設(shè)計(jì)和建造過程中，要適當(dāng)限制填土高度。

圖7 路基填高與坡腳沉降量的關(guān)系Fig. 7 The relationship between the subgrade filling and the slope settlement

2) 不同路基填土容重的影響分析

在拓寬路基中，選取6種不同填料容重進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，路基填土容重與坡腳沉降量的關(guān)系如圖8所示。

圖8 路基填土容重與坡腳沉降量的關(guān)系Fig. 8 The relationship between the subgrade filling severity and the slope settlement

從圖8中可以看出，隨著拓寬路基填土容重的增加，老路基邊緣坡腳沉降量也增加，填土容重從10 kN/m3增加到30 kN/m3，老路堤邊緣坡腳沉降量的最大值分別為113.98,115.09,116.02,118.24,122.51和130.65 mm。特別是當(dāng)填土容重達(dá)到26 kN/m3時(shí)，沉降量顯著增加。表明：拓寬路堤填料達(dá)到一定容重時(shí)，隨著容重的增加，沉降量會(huì)急劇增大，路基的穩(wěn)定性降低。采用輕質(zhì)路堤填筑材料可以顯著減小路基的豎向位移，并隨著填筑的完成，其沉降量逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。其原因在于：使用輕質(zhì)填筑材料可以減少地基承受的上部荷載，并減少對(duì)路基的擾動(dòng)。因此，在高速公路擴(kuò)建工程中，采用輕質(zhì)填料是一種經(jīng)濟(jì)、有效降低路基沉降量的選擇。

3) 不同路基拓寬寬度的影響分析

選取3.75,7.5,11.25和15 m等不同拓寬寬度，對(duì)路基沉降變形的影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，如圖 9所示。

圖9 不同拓寬路基的沉降曲線Fig. 9 Settlement curves of different widened roadbeds

從圖9中可以看出，路基從3.75 m拓寬到15 m，沉降變形顯著，老路基邊緣坡腳沉降量的最大值分別為89.29,99.42,106.77和112.93 mm。其原因在于：隨著拓寬寬幅的增加，地基所承受的荷載也增加，同時(shí)，對(duì)老路基的附加應(yīng)力也變大，進(jìn)而使得坡腳沉降量增加。因此，在增加路基沉降量的同時(shí)也加劇了新老路基的差異沉降。

3 結(jié)論

1) 通過有限元軟件進(jìn)行拓寬路基沉降量的計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，得出現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降量的最大值為106.89 mm，數(shù)值計(jì)算沉降量的最大值為108.19 mm，日平均沉降量均小于規(guī)范的5 mm。研究結(jié)果表明：越靠近新路基路中線，沉降量越大，最大沉降量發(fā)生在新路基斷面形心垂直位置下。路基沉降量中間大、兩邊小，呈“碗盆狀”。

2) 隨著拓寬路基的填高、寬度以及容重的增加，沉降量顯著增加，地基所承受的上部荷載也增大。隨著填筑的逐漸完成，沉降量先變大后減小至逐漸穩(wěn)定，其不僅增加了路基的沉降量，同時(shí)也增加了不均勻沉降，提高了拓寬路基發(fā)生破壞的幾率，對(duì)施工的進(jìn)度和安全性產(chǎn)生影響。

3) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)為路基監(jiān)測(cè)沉降量與數(shù)值模擬沉降變化曲線趨于一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。故可以利用有限元軟件模擬，計(jì)算拓寬路基的沉降量，按照施工步序加載，預(yù)測(cè)其工后總沉降量，為全線不同斷面的拓寬路基設(shè)計(jì)提供參考。