低路堤沉降影響因素分析

寧瑞林，崔亞萍，郝建軍

（北京奧科瑞檢測技術開發(fā)有限公司，北京 102488）

1 引言

低路堤，是相對于高路堤而言的一種概念，它在《公路路基設計規(guī)范釋義手冊》的定義是填土高度小于路基工作區(qū)深度的路堤。路堤高度過高所帶來的問題已經(jīng)得到了各級部門的關注，一些負責道路設計的單位已經(jīng)開始轉變自己的設計理念，提出了低路堤公路設計的理念。目前在國內多個高速公路得到應用，主要包括濟青高速公路、江蘇省蘇州繞城高速公路西南段、上海莘奉金高速公路。通過低路堤設計不僅能夠有效降低工程造價，還能夠避免工后不均勻沉降等病害，便于后期維護。

在美國、法國等發(fā)達國家，高速公路的建設和發(fā)展較早，國外普遍采用較低路堤的原因是人口密度小，農業(yè)耕作相對集中，橫向穿行少，國外發(fā)達國家農業(yè)機械化程度較高，作業(yè)面積較大，農業(yè)耕作所需的橫向穿越較少，可以接受的繞行距離也長，同時發(fā)達國家出行的交通工具以汽車為主，機械化出行比例較高。而在我國，人口密度較大，又有大面積的農耕區(qū)，相對于發(fā)達國家公路建設起步也較晚。因此，低路堤的應用在國內還不是那么的廣泛，有待進一步的研究和探索。

2 差異沉降的影響因素分析

2.1 拓寬寬度和方式對差異沉降影響

2.1.1 單側加寬

路基加寬具有多種形式，在高度為4 m的路基進行單側加寬時，差異沉降的效果較為顯著，會隨著拓寬寬度的增加而增加。當路基拓寬的寬度達到了4 m時，新舊路基的最大差異沉降達到7.60 cm；當拓寬的寬度從4 m增加到8 m的時候，最大的差異沉降會增加到12.20 cm，增加了4.60 cm；在路基的寬度由8米擴寬到12米的時候，產生的差異沉降不顯著，僅僅只有1.8 cm。也就是說，差異沉降的提高與路基擴寬寬度的提高并不是同步進行的。在路基拓寬寬度較小時，在新路基邊緣處容易發(fā)生交大的差異沉降；但是，隨著路基拓寬寬度的增加，此后差異沉降出現(xiàn)的位置越來越向道路內側進行移動，同時還會有橫坡出現(xiàn)在新路基當中。當出現(xiàn)差異沉降時，必然會導致積水問題的產生，同時還可能因車轍導致在差異沉降區(qū)域產生不均勻受力。造成路面的縱向破壞。因此，在進行拓寬建設時，要對拓寬寬度進行重點驗算，建議其不能超過8 m。

2.1.2 雙側加寬

當路基拓寬在兩側同時進行時，其出現(xiàn)的差異沉降曲線和一側拓寬出現(xiàn)的曲線基本相同。不過，由于是在雙側，導致其出現(xiàn)的最大差異沉降會有所降低。之所以出現(xiàn)這一問題，主要是因為兩側受力平衡導致。但是在新路基重力的作用下，會導致舊路中心產生較大的差異沉降，對此問題要予以特別的關注。

2.2 差異沉降受路基高度的影響分析

填土高度因在不同的公路工程中是各不相同的。對于拓寬公路而言，穩(wěn)定性會隨著路堤高度的增加而降低，其產生的不均勻沉降也就越大。所以對路基填土高度要進行必要的研究，從而找到差異沉降產生的原因和尋找對策。具體而言，假設土基的壓縮模量是4 MPa，分別取2 m、4 m、6 m、8 m為路基填土高度，得到的最終拓寬路基頂面最終沉降結果可見圖1所示。

由圖1可知，拓寬路基隨著路基高度的增加其不均勻沉降也隨之增加。拓寬路基的最大差異沉降在路基高度是4 m、6 m、8 m時，分別達到了11.32 cm、12.19 cm、13.10 cm。在路基高度僅為2 m時，所產生的最大差異沉降僅為6.38 cm。由此可知，拓寬路基的頂面曲線隨著路基高度的降低接近“～”形。

圖1 最終沉降在不同高度路基頂面結果

2.3 路堤沉降計算中所存在的問題

路基沉降，指的是在施工期或者運營期內，路基的某基準點（如路基頂面或地基表面），在自重應力、交通荷載與施工的作用下，伴隨時間因素和自然環(huán)境的影響，因軟弱地基或者填方的壓縮變形而產生的高程差。根據(jù)沉降產生時段的不同，沉降又可以分為工后沉降和施工期沉降。而不均勻沉降則是指路基的頂面上不同位置的沉降有差異的現(xiàn)象，其沉降差值就是不均勻沉降值，一般用橫斷面上的路基頂面中心處和邊緣的沉降差值來表征。

填方路基的豎向位移常被定義為沉降，路堤沉降是路基變形分析的主要內容，也是穩(wěn)定性監(jiān)測的重要指標。路基設計應該要控制路基的工后沉降量。對于軟弱地基、路基與橋涵結構物連接處、路基填挖交界處、高路堤、陡坡路堤等位置，應該要采取綜合措施來防止路基的不均勻變形。

在路基穩(wěn)定性正常的情況下，沉降產生的主要原因是地基的固結壓縮；而在失穩(wěn)的情況下，滑動土體上基準點的沉降還包括滑體位移的豎向分量。沉降分析主要是預測路基在填筑過程中及在填筑完成后可能產生的沉降。沉降分析的方法有簡單的分層總和法和復雜的有限元分析方法等。在路基沉降的計算中，還有以下幾方面的問題。（1）計算主固結沉降時存在的問題；（2）計算瞬時沉降的問題；（3）計算次固結沉降的問題；（4）計算總沉降的問題。

3 車輛荷載對路基土沉降變形的影響

3.1 不同軸載作用下的路基應力與深度關系的分析

采用彈性半空間體系理論對在標準軸載作用下、超載30%、超載60%以及超載100%的這幾種情況進行計算與分析。表1的計算中，AC-13模量取1 800，AC-16模量取1 600，AC-25模量取1 400，水泥穩(wěn)定粒料基層模量取1 900。

表1 不同軸載的當量圓半徑、雙圓中心距離表

標準軸載作用下的路基應力與深度的關系由BISAR軟件計算出的結果下圖2所示。

圖2 不同軸載作用下應力與深度的關系

由上述的各種軸載作用下，應力與深度關系的計算結果可以看出，在車輛荷載作用下，路基各層的層底拉應力隨所處深度的增加而減小。隨著荷載的增大，同一深度處，受到荷載越大的拉應力也越大。深度一米以下的路基中所受到的應力才會十分小，所以說，設計適用于低路堤的路面組合以減少荷載對路基的影響還是十分有必要的。

3.2 交通荷載下低路堤高速公路路基沉降規(guī)律分析

交通荷載是高速公路路基產生沉降的重要原因之一，道路協(xié)會對路基的沉降進行了實際觀測，發(fā)現(xiàn)在通車后路基沉降增加迅速。黃永強對湖南省境內已經(jīng)運營的高速公路的病害情況進行了調研，發(fā)現(xiàn)路基路面結構的病害主要是由交通荷載作用下紅砂巖路基填料的流變而引起的。

在文章中運用BISAR對在標準軸載作用下、超載30%、超載60%以及超載100%的這幾種情況的路基沉降和深度的關系，如下表2。

表2 各種荷載作用下路基沉降與深度的關系

做出的關系曲線如下圖3所示。

圖3 各種荷載作用下路基沉降與深度的關系曲線

由圖3可以得出結論，在車輛荷載的作用下，路基各層結構層的沉降是隨著深度的增加而降低的，同時，車輛荷載值越大，沉降也就越大。因此，在進行路面結構組合設計的時候，就要盡可能地讓面層吸收更多的荷載，這樣下面的路基和土基所承受的荷載才有可能能夠更小。

4 低路堤的合理填筑高度影響因素分析

4.1 技術因素

路基、路面以及交叉工程等設施會對路基高度產生直接的影響，具體包括：

（1）確保路基處于干燥或中濕狀態(tài)的路基臨界高度。路基的干濕類型是按照地下水毛細潤濕面與路基的相對位置來確定的。需要對地下水位進行重點考慮，同時還要考慮毛細水上升對其的影響。

（2）需要滿足在中央分隔帶中的橫向排水要求。

（3）要滿足因交通荷載而引起的剪應力和變形的要求。在進行路基填筑時，要盡可能保證所產生的附加應力只有彈性變形的結果，同時還能夠保證在交通荷載下路基具有足夠的穩(wěn)定性和強度，滿足使用要求。

4.2 社會、經(jīng)濟因素

社會以及經(jīng)濟因素對路堤高度的影響，主要在出行習慣和占用土地這兩個方面。

（1）出行習慣。附近居民在通過高速公路時存在一定的困難，往往需要設置過路涵洞。一般會造成人為的阻隔，本來很近的距離往往需要繞路，這在一定程度上打破了過去的生活方式。

（2）占用土地。公路建設需要占用大量的土地，其中包括大量的基本農田，每一條公路建設是必須的。因此，對這一矛盾進行合理解決，不僅可以加快公路建設速度，還能夠有效提高土地的利用效率。

5 結語

近年來低路堤的設計方案受到越來越多人的推崇，在閱讀了參考文獻并分析低路堤存在的問題之后，筆者運用BISAR軟件進行了大量的計算。通過計算和分析之后歸納出以下幾點結論。

（1）低路堤雖然有其缺點，但是與其優(yōu)點相比較起來還是利大于弊。而且我國的低路堤發(fā)展還沒有達到那么的完善，因此，低路堤在我國的發(fā)展前景還是十分良好的。

（2）通過控制荷載的變化，得出了隨著荷載的增加，路基及下層的土基中所產生的應力和位移也隨之增加的結果。并且將幾種荷載匯總進行比對，結果表明，道路所受的荷載越大，同一深度處所產生的應力和位移也越大。

（3）在進行路面結構組合設計的時候，就要盡可能地讓面層吸收更多的荷載，這樣下面的路基和土基所承受的荷載才有可能能夠更小。

（4）進行低路堤設計時，要充分考慮技術因素、社會經(jīng)濟因素、交通安全因素和環(huán)境景觀因素。