公路改擴(kuò)建工程路基加寬穩(wěn)定性及控制技術(shù)研究

摘要 路基加寬過程中對路基和地表沉降的控制直接關(guān)系到施工安全和工程質(zhì)量。構(gòu)建路基加寬模型對路基加寬過程進(jìn)行模擬研究，通過數(shù)值模擬對路基加寬變形影響因素進(jìn)行研究，分析路基加寬過程中影響路基加寬的主要因素。研究結(jié)果表明：單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬對原路基范圍內(nèi)的影響規(guī)律基本相同，但相較于雙側(cè)加寬，單側(cè)加寬對路基表面沉降影響較大，但沉降規(guī)律基本相同。地基表面沉降最大值遠(yuǎn)超雙側(cè)加寬最大值，且單側(cè)加寬坡腳水平位移最大值為雙側(cè)加寬的2.3倍;增加路肩擋土墻的工況對降低路表沉降具有很好的效果，但低路基適合采用新路基增加路肩擋土墻的工況，路肩擋墻可以減少土填加，使新增路基填土水平荷載均勻分布于路基和路肩墻上，從而提高路基的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞 路基加寬;雙側(cè)加寬;路肩擋墻;變形;數(shù)值模擬

中圖分類號 U418.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2022）11-0100-03

引言

隨著家用車的大量普及，原有道路路基已不能承受交通量的飛速增長，解決措施有新建道路以及加寬原有道路，對于低等級公路和城市道路，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，道路加寬是目前較為普遍的解決措施。對于路基加寬，國內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)的研究：傅珍[1]以某公路改建工程為研究對象，構(gòu)建了ANSYS路基加寬模型，從路基加寬的措施、路基加寬的寬度以及路基高度三個角度分析了路基加寬對路基變形的影響;高志偉[2]以河北省某公路建設(shè)為背景，通過構(gòu)建路基沉降的有限元模型分別從路基填土、路基填筑高度、路基邊坡坡率、路基施工等角度分析路基變形規(guī)律并做出預(yù)測;朱瑞鈞等[3]通過研究吉林省某公路加寬擴(kuò)建工程，在現(xiàn)場實驗測得實驗參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了ANSYS模型預(yù)測路基未來的沉降值，通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，誤差較小，模型具有較好的模擬效果。張大偉[4]以內(nèi)蒙古某公路建設(shè)為依托，構(gòu)建了ANSYS數(shù)值模型，分析了路基加寬填料、原有路基物理力學(xué)性質(zhì)、加寬施工措施對路基沉降以及不均勻沉降的影響。宋文佳[5]通過構(gòu)建ADINA模型分析了地基物理力學(xué)參數(shù)、填料性質(zhì)、加寬路基底部預(yù)應(yīng)力樁、墊層等因素對路基改擴(kuò)建工程沉降的影響。劉飛飛[6]通過構(gòu)建數(shù)值模型，分析了車輛荷載作用對加寬路基工程沉降的影響。

基于以上的研究成果可知，加寬路基工程的沉降受路基高度、路基加寬施工措施、路基支擋、土工材料使用等因素的影響。在以上研究成果的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建路基加寬數(shù)值分析模型分析影響路基變形的因素。

1 工程概況

以某二級公路的某個施工段為研究對象，原有道路地基條件良好。施工段擬采用原有路基加寬的方式施工，該施工段為雙向四車道，路基主要為填方路段，邊坡填方高度較低，原路基寬18 m，平均填方高度為5 m，對于高填方路段，為減小放坡對周圍土地的占用，施工中計劃采用擋土墻護(hù)坡。全路段設(shè)計為雙側(cè)路基加寬，當(dāng)路基受特殊條件限制時可采用單側(cè)加寬的方式。

加寬后的路段路基寬度為31.5 m，雙向四車道，設(shè)有中央分隔帶，設(shè)計時速為80 km/h，單側(cè)道路范圍內(nèi)包括：1 m的中央分隔帶，左側(cè)路緣帶0.5 m，單個行車道寬為3.75 m，共計7.5 m，右側(cè)路緣帶0.5 m，右側(cè)分隔帶寬度為1.5 m，在道路右側(cè)設(shè)有人行道路及非機(jī)動車道，寬度為4 m，以及最右側(cè)布置有0.75 m的土路肩。

2 三維數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)條件以及工程概況，利用構(gòu)建路基加寬模型對路基加寬過程進(jìn)行模擬，由于路基模型的縱斷面尺寸較大，可以將模型簡化為二維橫斷面進(jìn)行研究，采用摩爾—庫倫理論對土體進(jìn)行研究。

因道路已運(yùn)營多年，土體和路基沉降已穩(wěn)定。因此為研究加寬部分路基的影響，軟件中對原有土體和路基設(shè)置地應(yīng)力平衡，設(shè)置其初始位移為0，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行加載分析。選用路基底部深度20 m，寬度100 m范圍作為研究對象，模型中原路基寬為18 m，加寬后的路基寬為31.5 m，路基高6 m，路基邊坡坡度為1∶1.5。

3 影響因素分析

土路基加寬變形受多種因素的共同作用影響，其中包括：路基加寬方式、路基高度、路基填土性質(zhì)、地基土性質(zhì)等，重點(diǎn)分析路基加寬方式對路基沉降影響。

3.1 路基加寬方式的影響

路段設(shè)計加寬方式為雙側(cè)路基加寬，當(dāng)路基受特殊條件限制時可采用單側(cè)加寬的方式，現(xiàn)對比分析單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬對路基沉降的影響（圖1），單側(cè)加寬構(gòu)建模型為路基右側(cè)加寬13.5 m，雙側(cè)加寬構(gòu)建模型為路基雙側(cè)各加寬6.75 m。

圖1（a）所示為單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的情況下路基的沉降曲線，單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬對原路基范圍內(nèi)的影響規(guī)律基本相同，但單側(cè)加寬對路基沉降的影響較大，由于原路基范圍內(nèi)沉降基本完成，沉降規(guī)律基本相同。在右側(cè)加寬區(qū)域，單側(cè)加寬的沉降值較雙側(cè)加寬的沉降值有很大幅度的增長，由于新加寬路基較為不穩(wěn)定，且受到單側(cè)加寬的不平衡荷載作用，加寬路基段出現(xiàn)較大幅度的沉降。

圖1（b）為單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的情況下地基表面的沉降曲線，在雙側(cè)加寬情況下，地基表面的沉降曲線呈現(xiàn)倒“M”形，在加寬后路基的路基邊緣出現(xiàn)最大值。在單側(cè)加寬情況下，路基中心線左側(cè)地基表面基本不出現(xiàn)沉降，路基中心線右側(cè)地基表面的沉降呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且沉降值的最大值約為雙側(cè)加寬最大值的兩倍。

圖1（c）為單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的情況下新路坡坡腳在深度方向上的水平位移，單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的影響曲線均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在基礎(chǔ)頂面12 m左右出現(xiàn)最大值，單側(cè)加寬坡腳水平位移的最大值是雙側(cè)加寬坡腳水平位移的最大值的2.3倍。

對比分析三種模擬結(jié)果，在其他控制條件相同的情況下，雙側(cè)加寬較單側(cè)加寬對路基沉降的影響更小。

3.2 路肩擋土墻對路基沉降的影響

路基形式主要為路堤結(jié)構(gòu)，將分析路肩擋土墻對路基的沉降、地基表面的沉降、新路坡坡腳在深度方向上的水平位移三個方面的影響，對比無路肩擋土墻、新路基增加路肩擋土墻、原路基與新路基均具備路肩擋土墻的三種情況下對路基變形的影響，以及不同路基高度時擋土墻的作用效果。兩種工況下使用的擋土墻材料參數(shù)相同：重度為21.9 kN/m?、壓縮模量為4.2×106 kPa、泊松比為0.2。CB96366F-6373-4451-AE3E-2C29202A4E57

圖2（a）、圖2（b）分別為填土高度為2 m、4 m時三種工況下路表沉降曲線，相較于普通放坡的路基，新路基增加路肩擋土墻的工況對降低路表沉降具有很好的效果，原路基與新路基均具備路肩擋土墻的情況對降低路表沉降的效果不大，低路基適合采用新路基增加路肩擋土墻的工況。

圖2（c） 為填土高度為6 m時三種工況下路表沉降曲線，相較于普通放坡的路基，新路基增加路肩擋土墻的工況對降低路表沉降和路基不均勻沉降的作用較好。在原路基與新路基均具備路肩擋土墻的工況下路表沉降出現(xiàn)較大幅度減小。由此可見，較高的路基適合采用原路基與新路基均具備路肩擋土墻的工況。

圖2（d）為三種工況下地基表面沉降的變化圖。設(shè)置路肩墻后，地基表面沉降的變化規(guī)律與無路肩擋土墻的情況類似。新路基增加路肩擋土墻的工況相較于無路肩擋土墻的工況減少了路基填土，使新增路基填土的水平方向上荷載可以均勻分布作用于原有路基和路肩墻上，從而整體減小了地基的沉降。

路肩擋墻的設(shè)置可以減少路基邊坡放坡對土地的占用，還可以有效降低路基、地基的沉降。

4 結(jié)論

以某二級公路施工段為研究對象，并通過數(shù)值模擬對路基加寬變形影響因素進(jìn)行分析，包括路基加寬方式、路基高度、路基填土性質(zhì)、地基土性質(zhì)等，由此得到路基沉降影響因素。結(jié)論如下：

（1） 單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬對原路基范圍內(nèi)的影響規(guī)律基本相同，但單側(cè)加寬相比較于雙側(cè)加寬，對路基表面沉降影響較大，但沉降規(guī)律基本相同。地基表面沉降的最大值約為雙側(cè)加寬最大值的兩倍， 單側(cè)加寬坡腳水平位移的最大值是雙側(cè)加寬坡腳水平位移最大值的2.3倍，雙加寬對路基沉降更加有利。

（2） 增加路肩擋土墻的工況對降低路表沉降具有很好的效果，低路基適合采用新路基增加路肩擋土墻的工況，較高的路基適合采用原路基與新路基均具備路肩擋土墻的工況，路肩擋墻可以有效減少填土，使得新增路基填土的水平方向上荷載可以均勻分布作用于原有路基和路肩墻上，從而整體減小了地基沉降提高路基穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]傅珍.高速公路拓寬工程路基差異沉降及控制技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)， 2007.

[2]高志偉.基于目標(biāo)的山區(qū)高速公路差異沉降主動控制研究[D].西安：長安大學(xué)， 2009.

[3]朱瑞鈞， 高謙， 齊干.深基坑支護(hù)樁周邊建筑物沉降分析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報， 2006（2）： 52-55.

[4]張大偉.內(nèi)蒙古地區(qū)公路改擴(kuò)建工程路基差異沉降控制技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)， 2012.

[5]宋文佳.高速公路拓寬路基差異沉降特性與控制措施研究[D].西安：長安大學(xué)， 2013.

[6] 劉飛飛. 高速公路拓寬路基差異沉降研究[D]. 西安：長安大學(xué)， 2016.

收稿日期：2022-03-17

作者簡介：周海林（1986—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。CB96366F-6373-4451-AE3E-2C29202A4E57