王磊

摘要 為了提升公路拼寬路基的建設(shè)水平，文章總結(jié)了新舊路基不均勻沉降的病害機(jī)理，并依托某國道項(xiàng)目，利用ABAQUS軟件建立計算模型，分析了新舊路基沉降變化規(guī)律。同時，從邊坡削坡、臺階開挖、鋪土工格柵、加強(qiáng)排水、地基處理、路基填料和壓實(shí)度控制等方面探討了新舊路基不均勻沉降的控制措施，研究成果可為公路拼寬設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 路基拼寬；不均勻沉降；ABAQUS軟件；變形規(guī)律；控制技術(shù)

中圖分類號 U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0147-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通量逐年增加，原有的公路因交通規(guī)劃、投資金額、設(shè)計思路、施工技術(shù)等方面的限制，已經(jīng)難以滿足交通需求，造成交通擁堵，加大了交通運(yùn)輸成本，導(dǎo)致交通事故頻繁。如何提高公路通行能力和服務(wù)水平，已經(jīng)成為公路各參建單位需要解決的重要問題。新建公路會遇到占地面積大、征地拆遷困難、工程造價高等問題，且新建公路對平、縱線形指標(biāo)要求高，故建議改用改擴(kuò)建的方案來提高公路的通行能力和服務(wù)水平。改擴(kuò)建公路的設(shè)計難度大，施工工藝復(fù)雜，如果對新舊路基間不均勻沉降控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致路面裂縫、邊坡失穩(wěn)等病害，影響行車安全性和舒適度[1]。因此，進(jìn)一步研究新舊路基不均勻沉降變化規(guī)律及相應(yīng)的控制技術(shù)具有重要的工程意義。

1 新舊路基不均勻沉降病害機(jī)理分析

1.1 不均勻沉降引起的病害

大量工程實(shí)踐表明，新舊路基不均勻沉降所引起的病害有兩種形式：加寬路基失穩(wěn)、路面損壞[2]。

（1）加寬路基失穩(wěn)。新舊路基銜接位置較薄弱，尤其是軟弱地基、高填方、陡坡（地面坡率陡于1∶2.5）等路段容易出現(xiàn)路基整體坍塌?；屏看笮〔煌斐傻暮蠊膊煌?。公路運(yùn)營初期，邊坡滑動不明顯，表現(xiàn)為路面縱向裂縫增加。在連續(xù)降雨條件下，邊坡表面出現(xiàn)溜塌、侵蝕剝落等病害。同時，地表徑流會沿著路表裂縫滲入路基內(nèi)部，降低路基填土的強(qiáng)度，最終導(dǎo)致路基整體坍塌。

（2）路面損壞。新舊路基間的不均勻沉降，會對路面結(jié)構(gòu)層的受力產(chǎn)生不利影響。水泥路面常見的病害是脫空和唧泥，嚴(yán)重的會發(fā)展成板塊斷裂；瀝青路面常見的病害是新舊路基結(jié)合處產(chǎn)生縱向裂縫。

1.2 不均勻沉降機(jī)理

在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中，路基沉降包括舊路堤沉降、舊地基沉降、新路堤沉降、新地基變形四部分，見圖1。經(jīng)過長期運(yùn)營，舊路堤與其下地基可認(rèn)為固結(jié)基本完成，在自身填土重力作用下不會繼續(xù)沉降。當(dāng)路基經(jīng)單側(cè)或雙側(cè)拼寬后，會在新地基和舊地基中均產(chǎn)生附加應(yīng)力。由于新地基尚未固結(jié)，其變形能力遠(yuǎn)大于舊地基，從而導(dǎo)致新舊地基之間產(chǎn)生沉降差。

拼寬路基在橫斷面上的填土高度、填料性質(zhì)、路堤壓實(shí)度不同也會導(dǎo)致不均勻沉降。比如斜坡路段一側(cè)高一側(cè)低，填土自重應(yīng)力不同，其所引起的路堤壓縮和地基固結(jié)變形有較大差異，且填土高度相差越大，新舊路基的不均勻沉降越明顯[3]。

2 新舊路基不均勻沉降變化規(guī)律

隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的公路工程開始應(yīng)用數(shù)值計算軟件。為了研究新舊路基沉降變化規(guī)律，利用有限元軟件ABAQUS建立計算模型，分析了公路拼寬后各監(jiān)測點(diǎn)的沉降變化規(guī)律。

2.1 工程概況

研究對象為國道，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為一級公路、雙向四車道，路線全長36.8 km，起訖樁號為K0+000～K36+800，設(shè)計速度100 km/h，設(shè)計荷載為公路I級，路基寬27 m，路面為瀝青路面，厚68 cm。經(jīng)過多年運(yùn)營，瀝青路面出現(xiàn)各種裂縫、車轍、坑槽等病害，影響行車舒適性和安全性。同時，交通量逐漸增加，公路服務(wù)水平下降，頻繁出現(xiàn)交通擁堵或交通事故。因此，擬對該公路進(jìn)行改擴(kuò)建，拼寬方式采用雙側(cè)拼寬，左、右兩側(cè)各拼寬一個車道，即“四改六”。

項(xiàng)目所在區(qū)域地勢較平坦，由施工圖勘察資料可知，地基土從上到下分別是粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土，不同土體的計算參數(shù)取值見表1：

2.2 計算模型建立

新舊路基不均勻沉降計算斷面取K12+800，路堤中心填高6.0 m，左、右兩側(cè)邊坡坡率取1∶1.5，在利用ABAQUS軟件計算路基沉降時，將其視為平面應(yīng)變問題，路面及車輛荷載簡化為1 m厚的填土，且不考慮施工工序?qū)β坊两档挠绊憽BAQUS軟件建立新舊路基模型的主要步驟如下[4]：導(dǎo)入CAD圖紙→輸入路基填土和地基土的計算參數(shù)→初始地應(yīng)力→定義荷載→定義邊界條件→模型網(wǎng)格劃分→路基沉降計算→導(dǎo)出計算結(jié)果。

（1）初始地應(yīng)力。初始地應(yīng)力場會直接影響巖土體的力學(xué)性能，在計算新舊路基不均勻沉降時，要保證初始地應(yīng)力場的準(zhǔn)確性。目前，初始地應(yīng)力有兩種方法：一是彈性求解法，即將材料本構(gòu)模型設(shè)置為彈性模型，將體積模量與剪切模量設(shè)置為大值；二是彈塑性求解法。求解過程中采用塑性模型，但為避免材料局部區(qū)域在計算期間出現(xiàn)屈服，需將黏聚力和抗拉強(qiáng)度設(shè)為大值。達(dá)到極限平衡狀態(tài)后，再將兩者改為正常計算參數(shù)。

（2）邊界條件。路基模型的底部同時約束x、y、z三個方向的位移；左、右兩側(cè)約束x方向的位移；路基頂面和邊坡坡面為自由邊界。同時，地下水埋深較大，不考慮其對計算結(jié)果的影響。

（3）網(wǎng)格劃分。綜合考慮新舊路基沉降的計算效率和精確度，路堤及地基土網(wǎng)格劃分均采用六面體單元（C3D8RP單元），拼寬部分網(wǎng)格尺寸適當(dāng)加密，取0.5 m，其他部位網(wǎng)格尺寸取2.0 m，共劃分了2 636個單元，3 025個節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

（4）加載模擬。根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019），拼寬路基應(yīng)在開挖臺階后分層填筑。為了模擬這一現(xiàn)象，需要分層建立路堤部分模型，先將所有單元“殺死”，再結(jié)合施工時間逐層“激活”。

2.3 不均勻沉降計算結(jié)果

以路基中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，每隔一定距離設(shè)置一個監(jiān)測點(diǎn)，利用ABAQUS軟件導(dǎo)出不同監(jiān)測點(diǎn)的沉降量，如圖3所示：

圖3計算結(jié)果表明：公路拼寬后，路基頂面的沉降分布呈“勺”型。當(dāng)距離道路中心長度≤18 m時，路基頂面的沉降不斷增大；當(dāng)距離道路中心長度超過18 m，路基頂面的沉降由減小趨勢。新舊路基的最大不均勻沉降出現(xiàn)在拼寬路基的中心點(diǎn)下，約6.68 cm。主要原因在于：拼寬路基中心點(diǎn)處的附加應(yīng)力最大，且距離拼寬路基中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，附加應(yīng)力越小。

3 新舊路基不均勻沉降控制技術(shù)

目前，對于新舊路基不均勻沉降的控制并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范中也沒有明確規(guī)定。結(jié)合相關(guān)研究成果，文章建議以新舊路基最大差異沉降≤4 cm作為控制標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到這一目標(biāo)，可從新舊路基結(jié)合部處理、地基加固、路基填料和壓實(shí)度控制兩方面著手[5]。

3.1 新舊路基結(jié)合部處理技術(shù)

（1）邊坡削坡。公路在拼寬之前，要先將舊路邊坡坡面的雜草、腐殖物、未壓實(shí)松土等清理干凈。邊坡削坡深度不宜過大或過小，控制在30～50 cm即可。

（2）臺階開挖。新舊路基拼接通過開挖臺階來增加兩者之間的接觸面積，提高拼接路基的穩(wěn)定性。舊路邊坡所開挖的臺階有3種：標(biāo)準(zhǔn)式臺階、內(nèi)傾式臺階、豎傾式臺階。其中標(biāo)準(zhǔn)式臺階開挖較簡單，只要臺階高度和寬度確定后就可以施工（臺階寬度≥1 m，臺階高度在0.6～1 m）；內(nèi)傾式臺階是以標(biāo)準(zhǔn)式臺階為基礎(chǔ)，向內(nèi)傾斜2%～4%的坡度，以增大新舊路基的接觸面積，提高其整齊穩(wěn)定性，是新舊路基拼寬時最常用的臺階開挖方式；外傾式臺階是向路基中心傾斜一定的角度，有利于臺階上土體的填筑和壓實(shí)，但會增加土工格柵錨固長度，提高工程造價。綜上，建議新舊路基拼接時優(yōu)先采用內(nèi)傾式臺階。

臺階開挖不當(dāng)容易出現(xiàn)坍塌，從而影響路基穩(wěn)定性。新舊路基結(jié)合部的臺階開挖應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：①如果舊路基含水量高，邊坡削坡后不能立即開挖邊坡，應(yīng)先經(jīng)晾曬或用灰土處理；②舊路路基邊坡的削坡順序宜 “自上而下”。如果擬拼接的邊坡坡率較陡，削坡要分階段施工，且前一階段的削坡坡度要大于后一階段，以保證路基邊坡在削坡期間的穩(wěn)定性。

（3）鋪土工格柵。土工格柵是新舊路基拼接時最常用的一種材料，其主要作用是協(xié)調(diào)新舊路基間的差異沉降。土工格柵是在高密度聚乙烯或聚丙烯板材上沖孔而成，孔格形式為圓形或方形，尺寸為10～100 mm。土工格柵具有強(qiáng)度高、延伸率低，能將新舊路基連接成一個整體。同時，土工格柵位于土體內(nèi)部，能約束土體的變形，提高其抗剪強(qiáng)度。同時，土工格室在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用也日益廣泛。土工格室是將高密度聚乙烯條帶（寬100 mm、厚1.2 mm）按固定距離焊接成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。相對于土工格柵，土工格室的剛度更大，承載能力、防滑、抗變形能力更強(qiáng)。

（4）加強(qiáng)排水。由《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTGT D33—2012）可知：年降水量大于600 mm的濕潤多雨地區(qū)，需設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)，以排出滲入路面結(jié)構(gòu)層的雨水。因此，建議公路拼寬完成后，在舊路面邊緣處布置一道排水碎石盲溝，以匯集下滲到舊路面的雨水，并利用橫向出水管將雨水排出到路基范圍以外。同時，在新建路面內(nèi)部設(shè)置排水墊層。排水墊層需同時具備透水和反濾功能，可采用碎石、砂礫等升級配材料。

3.2 地基處理技術(shù)

（1）一般地基處理。拼寬路基前先清表20～30 cm，并填土壓實(shí)。為保證基底壓實(shí)度，可采用沖擊壓路機(jī)進(jìn)行沖擊碾壓，壓實(shí)范圍在坡腳外3 m。如果拼寬路基周邊存在對沖擊碾壓震動比較敏感的管線、構(gòu)造物等，可用高速液壓夯壓實(shí)，并開挖減震溝。

（2）軟弱土地基處理。如果公路拼寬項(xiàng)目中遇到淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等軟弱土，要對其進(jìn)行處理。軟弱土地基處理要綜合考慮軟土厚度、路堤填土高度、新舊路基差異沉降、施工技術(shù)、施工工期等因素，并對處理方案開展技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選。對于軟土厚度＜3 m的路段，一般使用換填法，即天然地基分布的軟弱土挖出，換填強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好的材料，并分層壓實(shí)；對于深厚軟土路基，可采用水泥攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等與天然地基組成復(fù)合地基。對于施工工期緊張、軟土性質(zhì)差的路段，可采用多種處治措施綜合處理。

3.3 路基填料和壓實(shí)度控制

大量工程實(shí)踐表明，新路基填料宜與老路基填料的物理力學(xué)性能相近。以高速公路為例，其路基各結(jié)構(gòu)層的壓實(shí)度應(yīng)滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015），見表2[6]。如果路基填土較高，可在正常壓實(shí)的基礎(chǔ)上再分層補(bǔ)壓，補(bǔ)壓后的壓實(shí)度宜比規(guī)范值提高1%～2%。

4 結(jié)論

該文新舊路基不均勻沉降的病害機(jī)理、變化規(guī)律及相應(yīng)的控制技術(shù)，得到了以下結(jié)論：

（1）新舊路基不均勻沉降易導(dǎo)致路基失穩(wěn)、路面損壞等病害，主要是因?yàn)樾屡f地基固結(jié)度、填土高度、填料性質(zhì)、路堤壓實(shí)度等不同。

（2）新舊路基不均勻沉降的最大值大致出現(xiàn)在拼寬路基中心點(diǎn)處，距離該位置越遠(yuǎn)，路基沉降越小。

（3）新舊路基結(jié)合部處理建立開挖內(nèi)傾式臺階，鋪土工格柵或土工格室，并加強(qiáng)排水。

（4）對于軟土路段的路基，要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇換填、水泥攪拌樁、CFG樁、管樁等處治措施，同時控制好路基填料質(zhì)量和壓實(shí)度。

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