高速公路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降影響因素分析

田原

摘要 新舊路基結(jié)合處的差異沉降控制是高速公路改擴(kuò)建的技術(shù)難點(diǎn)之一。若差異沉降值過大，會(huì)導(dǎo)致路基遭到破壞，影響路面結(jié)構(gòu)，降低道路的使用品質(zhì)，甚至危及行車安全。針對(duì)上述問題，依托某高速公路改擴(kuò)建工程，應(yīng)用有限差分法建立了數(shù)值計(jì)算模型，研究了不同拓寬寬度、不同填方高度、不同彈性模量和不同壓縮模量4種影響因素下新舊路基不均勻沉降的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)距舊路中心6 m范圍內(nèi)拓寬路基沉降較小，6～18 m范圍內(nèi)沉降增幅逐漸增大，新舊路基結(jié)合處尤為顯著，曲線末尾出現(xiàn)輕微“波谷”狀，最大沉降發(fā)生在拓寬路基邊緣附近。研究結(jié)果表明在合理經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，提高地基土壓縮模量可顯著降低新舊路基不均勻沉降，提高使用壽命。

關(guān)鍵詞 道路工程;高速公路改擴(kuò)建;有限差分;路基拓寬;差異沉降

中圖分類號(hào) U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）05-0064-03

0 引言

我國高速公路舊路拓寬工程的設(shè)計(jì)和施工主要參照新公路的規(guī)范，但是公路改建工程相對(duì)復(fù)雜，技術(shù)方面具有一定的約束性，在面臨一些實(shí)際的問題時(shí)，沒辦法很好地去解決處理。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，該研究依托某高速公路，開展針對(duì)不同因素影響下，舊路改擴(kuò)建工程中存在的沉降差異分析，希望能夠借此為相關(guān)同仁們提供參考和借鑒。

1 工程概況

某省一段高速公路線路全長(zhǎng)41.574 km，采用4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，連接線采用4車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，線路設(shè)計(jì)路基寬度為26 m，路面寬度為22 m。項(xiàng)目為雙喇叭互通，受制于互通線形，匝道半徑較小，大貨車通行時(shí)速度較低，極易造成擁堵。此外雙喇叭連接線是雙向單車道，是立交系統(tǒng)中的重要路段，當(dāng)車輛處于此區(qū)域時(shí)，需要連續(xù)變道且相互交織，極易產(chǎn)生較大的交通沖突和干擾，[1]須對(duì)該高速互通進(jìn)行擴(kuò)容改造。由于擴(kuò)容改造受制于作業(yè)空間小、交通量大等因素，應(yīng)盡可能考慮降低新舊路基結(jié)合處不均勻沉降的影響。為此，建立有限差分模型分析不同影響因素下新舊路基的差異沉降。

2 幾何模型建立

研究主要針對(duì)高速公路拓寬工程中新舊路基的不同拓寬寬度、不同填方高度、不同路基彈性模量和不同地基壓縮模量對(duì)加寬路基差異變形響應(yīng)進(jìn)行分析。根據(jù)該高速公路改擴(kuò)建工程建立幾何模型。模型尺寸為60.0 m×60.0 m×30.0 m（長(zhǎng)×寬×高），計(jì)算模型采用半幅進(jìn)行分析。其中舊路路基寬度為25.0 m，新路路基寬度為9.0 m，新舊路基高度均為6.0 m，路堤邊坡坡度為1∶1.5，新路基開挖和填筑均采用臺(tái)階法施工。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同拓寬寬度對(duì)路基差異沉降的影響

根據(jù)依托項(xiàng)目的具體情況，取道路單側(cè)拓寬寬度6 m、8 m、10 m、12 m，分別模擬不同拓寬路基對(duì)路基不均勻沉降相應(yīng)分析，具體結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1可知，隨舊路路基拓寬寬度增加，新舊路基結(jié)合處不均勻沉降也增加，且隨拓寬寬度增大，路基頂面的沉降量也會(huì)產(chǎn)生不同程度的增加。具體而言，距舊路中心6 m范圍內(nèi)路基頂面沉降較小，而距舊路中心一定范圍（6～18 m）沉降增速較快，新舊路基銜接處沉降曲線斜率逐漸增大，且拓寬寬度的增加也會(huì)出現(xiàn)沉降曲線斜率增大的現(xiàn)象，直至接近新路邊緣處斜率逐漸減小，曲線末尾出現(xiàn)輕微“波谷”狀，最大沉降發(fā)生在拓寬路基邊緣附近。

由圖2可知，當(dāng)拓寬路基寬度為6 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為6.21 m;當(dāng)拓寬路基寬度為8 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為8. 36 cm;當(dāng)拓寬路基寬度為10 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為10.20 cm;當(dāng)拓寬路基寬度為12 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為11.75 cm。其中，最大差異沉降增幅（以加寬寬度6 m為基準(zhǔn)）分別為34.62%、64.25%、89.21%。因此，在拓寬寬度為6 m、8 m、10 m、12 m時(shí)，拓寬寬度的增加會(huì)引起最大差異沉降的增大。眾多工程實(shí)例表明，選取適當(dāng)?shù)耐貙拰挾然蜻m當(dāng)減小拓寬路基上部土的重度，可有效緩解因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的不均勻沉降。

3.2 不同填方高度對(duì)路基差異沉降的影響

高速公路改擴(kuò)建中不同標(biāo)段的拓寬路基的填方高度不同，對(duì)下部地基的作用力也不同，進(jìn)而引起的變形也存在差異。[2]因此，探究拓寬路基的不同填方高度對(duì)新舊路基差異沉降響應(yīng)顯得尤為重要，依托實(shí)體工程，分別對(duì)填方高度為4 m、6 m、8 m、10 m，建立有限差分模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同填方高度下新舊路基的不均勻沉降。填方高度由4 m增長(zhǎng)到10 m時(shí)，距舊路中心6 m范圍內(nèi)沉降較小，增值較小，不同填方高度下沉降曲線趨勢(shì)基本一致;距舊路中心6～12 m范圍內(nèi)沉降增幅緩慢增大;距舊路中心一定范圍（12～18 m）內(nèi)，沉降曲線增幅趨勢(shì)逐漸增大，新舊路基結(jié)合處增幅更為顯著，不同填方高度的改變對(duì)路基項(xiàng)面的沉降產(chǎn)生影響。當(dāng)填方高度為4 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為6.10 cm;當(dāng)填方高度為6 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為8.11 cm;當(dāng)填方高度為8 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為8.52 cm;當(dāng)拓寬路基寬度為10 m時(shí)，新舊路基最大差異沉降為8.82 cm。其中，最大差異沉降增幅（以填方高度4 m為基準(zhǔn)）分別為24.78%、28.35%、30.79%。

綜上所述，不同填方高度對(duì)新舊路基的影響主要發(fā)生在新舊路基結(jié)合處，通過改變不同的填方高度等效于改變地基土上部荷載，迫使路基及地基內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重分布，使得新舊路基結(jié)合處沉降增大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)調(diào)整填方高度，以降低結(jié)合處差異沉降，滿足工程實(shí)際需求。

3.3 不同彈性模量對(duì)路基差異沉降的影響

高速公路改擴(kuò)建工程中選擇的填筑材料往往不盡相同，且路基在不同地段的壓實(shí)度、施工工藝和自然條件等因素都對(duì)路基的彈性模量造成影響。因此，通過控制其他變量，探究不同彈性模量與路基差異沉降響應(yīng)分析具有一定的必要性。新路基的彈性模量在舊路基彈性模量的基礎(chǔ)上（假定舊路基彈性模量不變）分別減少5 MPa和10 MPa、增加5 MPa和10 MPa，建立數(shù)值模型進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3可知，沉降隨新路基彈性模量的增大而減小，不同彈性模量的改變對(duì)距舊路中心較近的位置（0～6 m）的沉降影響不大，路基頂面沉降曲線增幅較小，而距舊路中心一定距離（6～18 m）的沉降影響較大，沉降曲線增幅逐漸增大，不同路基彈性模量下沉降曲線趨勢(shì)基本一致。由圖4可知，當(dāng)新路基土彈性模量分別從減小10 MPa和5 MPa、增加5 MPa和10 MPa，最大差異沉降從8.96 cm減小到8.80 cm、8.65 cm、8.59 cm、8.51 cm，其中，最大差異沉降增幅分別為3.58%、1.73%、?0.69%、?1.62%。路基彈性模量的改變引起路基頂面的最大差異沉降改變值較小。

綜上所述，路基的彈性模量并不是導(dǎo)致差異沉降產(chǎn)生的主要因素。不同彈性模量的變化對(duì)路基頂面沉降和最大差異沉降有一定程度的影響，但效果并不顯著。因此，對(duì)于彈性模量較小的新路基而言，為降低新舊路基不均勻沉降，在合理的經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，可采用提高拓寬路基的壓實(shí)度等技術(shù)措施。

3.4 不同壓縮模量對(duì)路基差異沉降的影響

高速公路改擴(kuò)建工程中，舊路基下部的地基土在長(zhǎng)時(shí)間上部車輛荷載和路基自重荷載作用下，沉降已基本穩(wěn)定，而拓寬路基部分的新地基土尚未固結(jié)完成，新舊地基土二者的壓縮模量差異較大。因此，很有必要分析不同壓縮模量對(duì)路基差異沉降的影響。通過新地基的壓縮模量在舊地基壓縮模量的基礎(chǔ)上（假定舊地基壓縮模量不變）分別減少4 MPa和2 MPa、增加2 MPa和4 MPa，建立數(shù)值模型進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，最大沉降隨新路基壓縮模量的增大而減小，而隨壓縮模量的增加，路基頂面沉降會(huì)產(chǎn)生不同程度的增加。在新舊路基結(jié)合處路基頂面沉降曲線斜率增大，直至接近新路邊緣處斜率逐漸減小，曲線末尾出現(xiàn)輕微“波谷”狀，最大沉降發(fā)生在拓寬路基邊緣附近。

由圖6知，提高地基土的壓縮模量可有效控制新舊路基的不均勻沉降。當(dāng)新地基土的壓縮模量與舊地基土的壓縮模量存在較大差異時(shí)，路基頂面產(chǎn)生的沉降較顯著，尤其新舊路基銜接處會(huì)產(chǎn)生較大的差異沉降。這是因?yàn)榕f路基在外荷載作用下自身固結(jié)基本完成，地基趨于穩(wěn)定，而新路基壓實(shí)程度較低，二者的差異性使得新舊路基結(jié)合處易產(chǎn)生較大的不均勻沉降，甚至可能會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)開裂或縱向裂縫等病害。因此，可適當(dāng)提高新地基土的壓縮模量，尤其針對(duì)軟土地基等特殊地質(zhì)，可采用復(fù)合地基等技術(shù)措施，從而有效控制差異沉降，避免路面下沉過速等病害的出現(xiàn)[3]。

4 結(jié)論

拓寬路基的不均勻沉降隨拓寬寬度和填方高度的增大而增加，拓寬寬度對(duì)沉降的影響較填方高度更顯著，隨拓寬寬度的增加，最大差異沉降增幅最大值可達(dá)89.21%，實(shí)際工程中應(yīng)盡可能選取重度較小的填土或設(shè)計(jì)合適的拓寬寬度;對(duì)比不同的路基彈性模量和地基壓縮模量可得，不同路基彈性模量對(duì)路基頂面最大差異沉降的影響較小，隨路基彈性模量發(fā)生改變，最大差異沉降增幅最大值僅為3.58%;對(duì)比不同的地基壓縮模量可知，最大差異沉降增幅最大值為42.14%，因此，在合理經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，提高地基土壓縮模量可顯著降低新舊路基不均勻沉降，提高使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]李立， 鄭俊杰， 曹文昭， 等. 考慮地基土流變性的樁承式加筋土擋墻拓寬路基數(shù)值模擬[J]. 土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)， 2020（2）： 65-72.

[2]沈煒， 呂錫嶺. 氣泡混凝土拓寬路基的沉降特性數(shù)值分析[J]. 公路工程， 2014（3）： 241-245.

[3]方元偉. 濱萊高速公路改擴(kuò)建工程路基穩(wěn)定性及控制技術(shù)研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2019.