新舊路基不均勻沉降分析與控制技術(shù)研究

王磊

摘要 為了提升公路拼寬路基的建設水平，文章總結(jié)了新舊路基不均勻沉降的病害機理，并依托某國道項目，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、加強排水、地基處理、路基填料和壓實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計提供理論指導。

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文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0147-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(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，加大了交通運輸成本，導致交通事故頻繁。如何提高公路通行能力和服務水平，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、縱線形指標要求高，故建議改用改擴建的方案來提高公路的通行能力和服務水平。改擴建公路的設計難度大，施工工藝復雜，如果對新舊路基間不均勻沉降控制不當，容易導致路面裂縫、邊坡失穩(wěn)等病害，影響行車安全性和舒適度[1]。因此，進一步研究新舊路基不均勻沉降變化規(guī)律及相應的控制技術(shù)具有重要的工程意義。

1 新舊路基不均勻沉降病害機理分析

1.1 不均勻沉降引起的病害

大量工程實踐表明，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。滑移量大小不同，造成的后果也不同。公路運營初期，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，降低路基填土的強度，最終導致路基整體坍塌。

（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 不均勻沉降機理

在公路改擴建項目中，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)過長期運營，舊路堤與其下地基可認為固結(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)生附加應力。由于新地基尚未固結(jié)，其變形能力遠大于舊地基，從而導致新舊地基之間產(chǎn)生沉降差。

拼寬路基在橫斷面上的填土高度、填料性質(zhì)、路堤壓實度不同也會導致不均勻沉降。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

隨著計算機技術(shù)的進步，越來越多的公路工程開始應用數(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)測點的沉降變化規(guī)律。

2.1 工程概況

研究對象為國道，其設計標準為一級公路、雙向四車道，路線全長36.8 km，起訖樁號為K0+000～K36+800，設計速度100 km/h，設計荷載為公路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，擬對該公路進行改擴建，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?。ABAQUS軟件建立新舊路基模型的主要步驟如下[4]：導入CAD圖紙→輸入路基填土和地基土的計算參數(shù)→初始地應力→定義荷載→定義邊界條件→模型網(wǎng)格劃分→路基沉降計算→導出計算結(jié)果。

（1）初始地應力。初始地應力場會直接影響巖土體的力學性能，在計算新舊路基不均勻沉降時，要保證初始地應力場的準確性。目前，初始地應力有兩種方法：一是彈性求解法，即將材料本構(gòu)模型設置為彈性模型，將體積模量與剪切模量設置為大值；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度設為大值。達到極限平衡狀態(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，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

以路基中心點為基準，每隔一定距離設置一個監(jiān)測點，利用ABAQUS軟件導出不同監(jiān)測點的沉降量，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。當距離道路中心長度≤18 m時，路基頂面的沉降不斷增大；當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下，約6.68 cm。主要原因在于：拼寬路基中心點處的附加應力最大，且距離拼寬路基中心點越遠，附加應力越小。

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)一的標準，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作為控制標準。為了達到這一目標，可從新舊路基結(jié)合部處理、地基加固、路基填料和壓實度控制兩方面著手[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：標準式臺階、內(nèi)傾式臺階、豎傾式臺階。其中標準式臺階開挖較簡單，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)傾式臺階是以標準式臺階為基礎，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，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)合部的臺階開挖應注意以下兩點：①如果舊路基含水量高，邊坡削坡后不能立即開挖邊坡，應先經(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，提高其抗剪強度。同時，土工格室在公路改擴建項目中的應用也日益廣泛。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。

（4）加強排水。由《公路排水設計規(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。為保證基底壓實度，可采用沖擊壓路機進行沖擊碾壓，壓實范圍在坡腳外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，并開挖減震溝。

（2）軟弱土地基處理。如果公路拼寬項目中遇到淤泥、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，換填強度高、水穩(wěn)定性好的材料，并分層壓實；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）、預應力混凝土管樁等與天然地基組成復合地基。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 路基填料和壓實度控制

大量工程實踐表明，新路基填料宜與老路基填料的物理力學性能相近。以高速公路為例，其路基各結(jié)構(gòu)層的壓實度應滿足《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015），見表2[6]。如果路基填土較高，可在正常壓實的基礎上再分層補壓，補壓后的壓實度宜比規(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理、變化規(guī)律及相應的控制技術(shù)，得到了以下結(jié)論：

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

（2）新舊路基不均勻沉降的最大值大致出現(xiàn)在拼寬路基中心點處，距離該位置越遠，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，并加強排水。

（4）對于軟土路段的路基，要根據(jù)項目實際情況選擇換填、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)量和壓實度。

參考文獻

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