拓寬路基沉降變形規(guī)律及影響因素分析

摘要：為系統(tǒng)研究高速公路拓寬后的路基變形規(guī)律和影響因素，文章基于ABAQUS軟件建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)分析了路基拓寬變形規(guī)律及路基填筑寬度、填筑高度及施工固結時間對路基變形的影響。結果表明：路基拓寬后，沉降首先發(fā)生在老路基中心位置，且隨著距老路基中心距離的增大，路基變形先增大后減小，最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm；路基變形隨填筑寬度的增大而增大，在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm；填筑高度對沉降的影響比較小，計算結果顯示，不同填土高度的最終沉降量均為156 mm，但分層填筑高度對路基變形達到最大值的速率有影響；實際工程中應盡量使土體得到充分固結沉降，從而減小公路在運營期的沉降變形。

關鍵詞：路基拓寬；變形規(guī)律；影響因素；高速公路

中圖分類號：U416.1+1

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)有已建高速公路無法滿足日益增長的交通量需求，采用路基拓寬方式解決交通擁堵成為公路工程項目的重要內(nèi)容。薛洋［1］基于數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了公路拓寬路基變形特性的影響因素。結果表明，采用雙側拓寬的方式比單側拓寬方式的沉降變形更小更安全。此外，路基寬度和高度的增大會導致新舊路基水平變形和不均勻沉降增大。盧業(yè)旭等［2］基于數(shù)值模擬系統(tǒng)地研究了堆填厚度及填筑速率對拓寬路基變形的影響，結果表明，筑填速率越快，路基變形越大，且孔隙水壓力消散越慢；隨填土厚度的增大，相同填筑速率下差異性沉降的沉降量隨之變大。翁效林等［3-4］基于有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)地分析了路基拓寬時管樁復合地基沉降變形機理，結果表明管樁處理能夠較好地控制軟土地基的沉降，有效緩解拓寬新老路基的差異沉降問題；基于有限元研究了影響拓寬路基差異性沉降的因素，結果表明差異沉降限隨填方高度的增加而增大，隨著拓寬比的增加而減小，隨著路堤填料彈性模量的增加而增大。陳庚等［5］基于數(shù)值分析，系統(tǒng)地研究了擴寬公路的變形特征，結果表明地基沉降和水平位移主要發(fā)生在軟土淺層，在拓寬荷載作用下，新舊路堤交界面處會產(chǎn)生過大的剪應力。于建榮等［6］基于有限元模擬系統(tǒng)地研究了拓寬路基沉降特性與影響因素，結果表明對于軟土地區(qū)的路基拓寬沉降曲線呈現(xiàn)“反盆形”狀態(tài)，道路的不均勻沉降量隨新填路基彈性模量的提高而增大。采用地基處理進行加固可以顯著減小路基沉降和不均勻變形。

本文基于某實際工程案例，采用ABAQUS軟件建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)地分析了路面加寬前后路基的穩(wěn)定性，并在此基礎上研究了公路拓寬穩(wěn)定性的影響因素，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

某高速公路某段路基拓寬工程原始路堤寬度為14 m，為適應日益增大的交通量，拓寬寬度為8 m，邊坡坡率為1∶1.5。擴寬按照每層0.8 m進行臺階式施工。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料顯示，巖土體由上到下分別為填土、粉土和黏土。根據(jù)典型剖面建立數(shù)值計算模型如圖1所示。為了減小應力波在模型邊界反射造成的誤差，適當對建模范圍進行擴大。模型的邊界條件為底部約束三個方向的自由度。左右兩側施加水平方向的約束，頂部為自由面。本文對模型中所采用的土體的物理力學參數(shù)如表1所示。巖土體的計算采用摩爾-庫侖本構模型，其力學參數(shù)如表1所示。

本文相關的路基拓寬項目采用的加載方式如圖2所示。即荷載施加歷時30 d，固結時間為30 d，當填筑高度達到4 m時，固結時間為365 d。

2 計算結果與分析

2.1 路基拓寬變形規(guī)律

圖3匯總得到了拓寬路基變形曲線。結果表明，隨著距離的增大，路基變形量先增大后減小，在距離為50 m的時候，路基變形量達到最大，最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm。綜合來看，路基變形首先發(fā)生在老路基的中心點處，在新老路基交界位置處變形速率最大。實際工程中，對于新老路基交界位置需格外重視。

2.2 路基拓寬寬度對穩(wěn)定性的影響

圖4匯總得到了拓寬寬度對路基變形的影響曲線。結果表明，隨拓寬寬度的增大，路基變形逐漸增大，相同拓寬寬度下，隨距離的增大而先增大后減小。在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm。也就是說，當拓寬寬度增大到一定程度時，路基變形的速率越來越小。此外，最大沉降位[JP+1]置逐漸從新老路基交界位置處轉移至新路基中心位置，這是因為隨新路基的寬度逐漸增大，老路在尺寸上所占的比例逐漸減小，路基應力發(fā)生重分布，因此在理想狀態(tài)下，路基變形會發(fā)生轉移。圖5給出了固結時間對路基變形的影響曲線。結果表明，在拓寬11 m和14 m時，路基的沉降速率顯著增大，因此路基拓寬寬度增大不僅會增大路基的沉降量，也會增大沉降速率。

2.3 分層填土厚度對穩(wěn)定性的影響

圖6匯總得到填筑高度對路基變形的影響曲線。結果表明，填筑高度對路基的變形影響非常小?？傮w來看，沉降曲線呈拋物線分布。這是因為改變分層高度只會影響施工工期，而對于填筑的物理力學參數(shù)性質(zhì)改變不明顯。圖7展示了填筑高度沉降與工期的關系。結果表明，不同填筑高度的最終沉降量均為156 mm，但不同的填筑高度會影響路基達到最大沉降值的時刻。此外，分層填筑高度對路基變形達到最大值的速率有影響。下頁圖8展示了分層填筑與沉降的關系。結果表明，沉降速率與分層高度呈線性關系。這主要是由分層填筑高度的逐漸累積所導致的。實際工程中，應盡量減小分層填筑高度，以避免過快沉降。

2.4 施工期填土固結時間對穩(wěn)定性的影響

在其他條件不變的情況下，分別計算了路基施工期填土固結時間為5 d、15 d和30 d工況下的拓寬沉降規(guī)律如圖9所示。結果表明，在三種不同的固結時間下，沉降曲線近似重合，證明施工期填土固結時間對路基的沉降影響較小。最大沉降發(fā)生在距離50 m位置，最大值均為160 mm。這是因為本文所研究的是竣工后1年的變形量，因此在比較長的時間內(nèi)，施工期的變形基本不屬于沉降的主要因素。此外，與不同填筑層厚度相比，時間對沉降的影響也比較小，這也證明，路基沉降的最終變形量對施工的敏感性比較低。

圖10展示了施工期填土固結時間對工后沉降的影響情況。結果表明，隨著施工期填土固結時間的變大，公路的竣工后變形量增大，其中最大沉降由160 mm增大至250 mm。最大值增長幅度為6%。導致這一現(xiàn)象的主要原因是施加固結時間比較長，土體固結程度比較充分，從而竣工后的沉降相對地就會減小。實際工程中，應充分考慮土體的固結時間對路基沉降的影響。在不同的施工工期中，采用不同的措施，盡量使得路基在荷載作用下固結沉降最為充分，從而減小公路運營期的沉降。

3 結語

本文基于ABAQUS軟件建立數(shù)值計算模型，系統(tǒng)地分析了路基拓寬變形規(guī)律及路基填筑寬度、填筑高度及施工固結時間對路基變形的影響。得到如下幾點結論：

（1）路基變形首先發(fā)生在老路基的中心點處，在新老路基交界位置處變形速率最大，隨著距老路基中心距離的增大，路基變形先增大后減小，在距離為50 m的時候，路基變形量達到最大。最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm。

（2）隨拓寬寬度的增大，路基變形逐漸增大，相同拓寬寬度下，隨距離的增大而先增大后減小。在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm。此外，最大沉降位置由新老路基交界位置處逐漸轉移值新路基中心位置。

（3）填筑高度對于路基的變形影響非常小，且沉降曲線呈拋物線分布。不同填筑高度的最終沉降量均為156 mm，但不同填筑高度會影響路基達到最大沉降值的時刻。此外，分層填筑高度對路基變形達到最大值的速率有影響。

（4）施工期的路基固結沉降在總沉降值中所占的比例較小，且遠比分層填筑高度對路基變形的影響更小。因此實際工程中應盡量使土體得到充分固結沉降，從而減小公路在運營期的沉降變形。

參考文獻

［1］薛 洋.不同設計參數(shù)對公路拓寬路基變形特性的影響［J］.山東交通科技，2022，188（1）：46-49.

［2］盧業(yè)旭，孫少銳.基于堆填厚度及填筑速率的拓寬路基變形研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2014，31（2）：24-27.

［3］翁效林，王 瑋，張留俊.拓寬路基荷載下管樁復合地基沉降變形模式［J］.長安大學學報（自然科學版），2012，32（1）：31-35.

［4］翁效林，高建華，宋文佳，等.基于拓寬路面附加變形的地基差異沉降控制標準［J］.長安大學學報（自然科學版），2013，33（5）：26-31.

［5］陳 庚，王 波，陳永輝，等.海域擴寬公路的變形特征及數(shù)值模擬分析［J］.地下空間與工程學報，2018，14（1）：273-279.

［6］于建榮，程小強，李 峰，等.改擴建道路縱向加高拓寬路基沉降特性與影響因素研究［J］.路基工程，2019，206（5）：35-39.

收稿日期：2024-03-06

作者簡介：孔德財（1990—），一級建造師，主要從事高速公路建設、二級公路建設等監(jiān)理工作。