廣西某高速公路路基拓寬變形特性及加固措施研究

關(guān)鍵詞：高速公路改擴(kuò)建；路基拓寬；差異沉降；土工格柵；管樁加固中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.010文章編號：1673-4874（2025）03-0036-03

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，高速公路交通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本完善。但是經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使車流量不斷增加，交通壓力不斷提升，現(xiàn)有的高速公路已經(jīng)無法滿足日益增長的交通需求[1。因此，對現(xiàn)有高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建變得尤為重要，以達(dá)到提升道路通行能力，確保交通的順暢與安全的目的[2]。

然而，在改擴(kuò)建過程中，新舊路基之間的差異沉降問題逐漸顯現(xiàn)，成為影響道路穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵因素[3。對此，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。李立等4基于離心機(jī)試驗研究了不同樁承式加筋土結(jié)構(gòu)時，路基拓寬工程外部變形和內(nèi)部受力特征。葉觀寶等[5采用離心機(jī)試驗研究了不同拓寬方式對軟土路基的變形、地基孔壓和土壓的影響。賈寶新等6通過建立三維有限元數(shù)值模型，深入分析了導(dǎo)致新舊路基差異沉降的因素。

本文針對廣西某高速公路改擴(kuò)建工程，利用FLAC3D軟件建立三維計算模型，深入分析了其新舊路基的變形特性，并提出了相應(yīng)的加固措施，研究成果可為類似工程提供參考。

1工程概況及數(shù)值模型

1.1工程概況

廣西某高速公路是連接廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)核心城市的重要交通要道，其改擴(kuò)建工程對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)帶的形成、改善投資環(huán)境和完善港口公路網(wǎng)具有極為重要的意義。該改擴(kuò)建區(qū)域地勢平坦，起伏變化相對較小，但地質(zhì)條件復(fù)雜，海相軟土分布廣泛且深度較大。當(dāng)?shù)貙儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，雨水充沛，水資源豐富，地下水系發(fā)達(dá)，地表徑流分布不均。

該高速公路的舊路為雙向四車道，已經(jīng)運營多年，路基邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，無明顯裂縫，但存在填土松散、坡面局部沖刷嚴(yán)重以及防護(hù)骨架不緊密等問題。此外，由于養(yǎng)護(hù)不到位和垃圾堆棄等原因，坡面排水存在一定問題，導(dǎo)致雨水下滲現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

為緩解交通壓力、提升交通量，需要對原高速公路局部區(qū)域進(jìn)行拓寬處理，新路設(shè)計為雙向八車道。由于既有路基運營時間較長，在自重和反復(fù)車輛荷載的作用下固結(jié)沉降已完成，而新路基則可能帶來較大的附加應(yīng)力，致使其發(fā)生進(jìn)一步沉降變形；同時，新路基會因自重導(dǎo)致路基本體和地基發(fā)生較大的沉降變形。因此，兩者之間存在明顯的差異沉降，需要對高速公路拓寬變形特性進(jìn)行深入研究。

1.2數(shù)值模型

舊路基總寬度為 26m ，高度為 4m ，坡度為 1：1.5 雙側(cè)拓寬后，新路基總寬度為 42m. ，為研究路基拓寬后的變形特性，本文根據(jù)實際工程情況，利用FLAC3D軟件進(jìn)行仿真計算。由于路基為左右對稱結(jié)構(gòu)，以路基中心線為軸，取其半側(cè)建立模型，如圖1所示。

設(shè)置模型下表面為全約束，模型四周為水平約束，模型上表面為自由邊界。模型總寬度為40m，路基高度為 4m ，地基高度為25m，厚度為 4m 。采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，材料厚度及參數(shù)如表1所示。

2新舊路基變形特性

對舊路基進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計算，并分層填筑新路基，得到路基和地基表面沉降變形情況如圖2所示。

由圖2（a）可知，隨著新路基的填筑，新舊路基表面沉降值均不斷增大。每層填筑時，路基表面沉降變形的總體變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為先隨著離路基中心軸的距離變大而不斷增大，后有所減小，呈現(xiàn)出類似“勺子”的形狀。其中，舊路基中心位置沉降變形小，路肩位置沉降變形大，總體沉降相對較小；新路基表面沉降變形更為明顯。這主要是因為舊路基在長期自重和車輛荷載作用下，已完成固結(jié)沉降，新路基的附加應(yīng)力對其影響不顯著，而新路基受自重影響產(chǎn)生了較大的變形。

隨著填筑層數(shù)的增加，路基表面沉降最大處不斷向中心軸靠近，第一層路基填筑時，路基表面沉降最大值在距中心軸21m處，而最后一層路基填筑時，路基表面沉降最大值在距中心軸20m處。這主要是由新路基的形心不斷向內(nèi)移動導(dǎo)致的。

由圖2（b）可知，隨著新路基的填筑，地基表面的沉降值不斷增大。但每層填筑時，地基表面變形的總體規(guī)律基本保持一致，表現(xiàn)為先增大，后減小，呈現(xiàn)出“V\"形。

地基表面沉降最大值位置也隨著新路基填筑的進(jìn)行不斷向路基中心軸方向移動。第一層新路基填筑時，地基表面沉降最大值在距中心軸21m處，在最后一層路基填筑時，地基表面沉降最大值在距中心軸20m處，其變化與路基表面最大沉降值變化基本一致，故其原因也一致。

路基填筑過程中的剪應(yīng)力變化如圖3所示。由圖3可知，新舊路基交界的臺階，其兩側(cè)剪應(yīng)力差異較大，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，屬于整個路基結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在外部荷載作用下極易發(fā)生破壞，可能導(dǎo)致新舊路基不均勻沉降，從而影響道路的平整度和行車舒適度。

觀察圖3中剪應(yīng)力的變化可知，填筑初期，舊路基內(nèi)部正剪應(yīng)力最大，而隨著新路基填筑的不斷進(jìn)行，最大正剪應(yīng)力逐漸向新路基坡腳處轉(zhuǎn)移，且新舊路基的坡腳之間存在明顯的剪應(yīng)力貫通區(qū)，最大負(fù)剪應(yīng)力出現(xiàn)在新路基靠近交界面處，隨著填筑的進(jìn)行而不斷上移。

3控制加固措施

由前述可知，在不做處理的情況下，新路基填筑會造成較為明顯的新舊路基差異沉降，其交界臺階存在受力差異，可能導(dǎo)致路基破壞，進(jìn)一步引發(fā)路面出現(xiàn)坑槽、裂縫等病害，嚴(yán)重影響高速公路的性能，并可能造成行車事故。

為減小新老路基的差異沉降，提高其交界臺階處的銜接能力，本文提出鋪設(shè)土工格柵和處理地基等措施進(jìn)行處理，并采用數(shù)值仿真計算對其控制效果進(jìn)行分析。

在新舊路基拓寬工程中，常采用鋪設(shè)土工格柵的方式控制差異沉降。土工格柵具有高強(qiáng)度的拉伸性能，可以分散荷載，有效提高路基承載力和抗剪強(qiáng)度，減小局部應(yīng)力集中，從而降低新舊路基交界處的受力差異，控制新舊路基差異沉降，增強(qiáng)路基的整體性。

所采用土工格柵厚度為0.1m，容重為18. 0.1×N/m³ .楊氏模量為 80MPa ，拉伸強(qiáng)度為60KN，橫向拉伸力為301×N 為研究其寬度對路基表面沉降的影響，本文對土工格柵寬度分別為 4m.6m.8 m的三種工況進(jìn)行研究。

由于各工況下路基表面沉降值變化不明顯，故繪制其與無土工格柵工況下的沉降差值如圖4所示。由圖4可知，王工格柵的存在對舊路基的影響較大，隨著土工格柵的寬度增大，舊路基表面的沉降差值不斷減小，而新路基表面的沉降差值則不斷增大，兩者之間的差異沉降有所減小。

各工況下土工格柵的剪應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)土工格柵寬度為4m時，最上層格柵承受的剪應(yīng)力最大，而隨著土工格柵寬度的增加，剪應(yīng)力最大處逐漸轉(zhuǎn)移到中層土工格柵。由此可見，土工格柵的存在可以使得新舊路基內(nèi)部應(yīng)力更加均勻，整體性增強(qiáng)。

由此可知，雖然土工格柵不能明顯減小新舊路基的差異沉降，但是可以使新舊路基內(nèi)部剪應(yīng)力分布更為均勻。綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性認(rèn)為，該工程土工格柵寬度為6m時最為合適。

針對上述結(jié)果，采用6m寬度土工格柵的工況，取長為13m、直徑為0.5m、間距為2.5m的管樁對地基進(jìn)行處理。管樁采用樁單元進(jìn)行模擬，其重度為25 kN/m³ ，彈性模量為 2×10⁴MPa ，泊松比為0.3。處理與未處理工況下，路基表面沉降變形如圖6所示。由圖6可知，增設(shè)管樁后，路基表面沉降值有明顯減小，且新舊路基差異沉降也有明顯降低。

4結(jié)語

本文依托廣西某高速公路改擴(kuò)建工程，研究了新舊路基拓寬過程中的變形特性及相應(yīng)的加固措施，利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計算分析，得出如下結(jié)論：

（1）新舊路基表面沉降值呈“勺子\"形分布，地基表面沉降值呈“V\"形分布，其最大值均隨著新路基形心的變化而逐漸向路基中心軸靠近；新舊路基存在較為明顯的差異沉降，兩者交界處存在限制的應(yīng)力差異，可能引發(fā)路基破壞、路面病害等問題，嚴(yán)重影響道路性能和行車安全。

（②分析認(rèn)為，當(dāng)土工格柵寬度為 4m，6m，8m 時，從路基表面沉降差值和土工格柵剪應(yīng)力的變化可知，鋪設(shè)土工格柵對新舊路基差異沉降的影響較小，但是能使路基內(nèi)部剪應(yīng)力分布均勻，增強(qiáng)其整體性。綜合經(jīng)濟(jì)性和安全性認(rèn)為6m寬的土工格柵最為合適。

（3）在增設(shè)土工格柵的基礎(chǔ)上，使用管樁對地基進(jìn)行處理可以進(jìn)一步減小新舊路基表面的沉降變形，顯著減小兩者差異沉降。

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