高速公路改擴(kuò)建新舊路基結(jié)合部沉降及穩(wěn)定性計(jì)算方法研究

摘" 要：隨著城市化進(jìn)程的加速和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求增加，高速公路作為重要的交通動(dòng)脈，其改擴(kuò)建工作變得日益頻繁。改擴(kuò)建過程中，新舊路基結(jié)合部的設(shè)計(jì)和施工對(duì)道路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性具有重要影響。該文圍繞高速公路改擴(kuò)建中的新舊路基結(jié)合部，通過結(jié)合實(shí)際工程案例，探討穩(wěn)定性計(jì)算方法。研究結(jié)果表明，該文所提出的方法計(jì)算的kmin值，相較于內(nèi)力傳遞法以及圓弧法計(jì)算數(shù)值偏低。

關(guān)鍵詞：高速公路；道路改擴(kuò)建；路基沉降；穩(wěn)定性分析；計(jì)算方法

中圖分類號(hào)：U416.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）08-0176-04

Abstract： With the acceleration of urbanization and the increasing demand for transportation infrastructure for economic development， highways， as an important transportation artery， and their reconstruction and expansion work has become increasingly frequent. During the reconstruction and expansion process， the design and construction of the joint between the old and new subgrade have an important impact on the long-term stability and safety of the road. Focusing on the junction between old and new roadbed in the reconstruction and expansion of highways， this paper discusses the stability calculation method by combining practical engineering cases. The research results show that the kmin value calculated by the proposed method is lower than that calculated by the internal force transfer method and the circular arc method.

Keywords： highway; road reconstruction and expansion; subgrade settlement; stability analysis; calculation method

隨著城市化進(jìn)程的加速和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路作為現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施的骨干，承擔(dān)著越來越重要的運(yùn)輸任務(wù)。高速公路的改擴(kuò)建成為應(yīng)對(duì)交通需求增長(zhǎng)、提升道路通行能力的主要手段[1]。然而在新舊路基結(jié)合部的處理上，由于材料性質(zhì)、施工工藝以及荷載條件上的差異，導(dǎo)致新老路基結(jié)合部容易出現(xiàn)沉降不均和穩(wěn)定性問題，不僅會(huì)影響道路的平整性，還會(huì)引發(fā)安全隱患和長(zhǎng)期維護(hù)成本的增加[2]。因此，對(duì)新舊路基結(jié)合部的沉降及穩(wěn)定性進(jìn)行精確計(jì)算和科學(xué)控制，是確保高速公路改擴(kuò)建工程成功的關(guān)鍵。文章通過結(jié)合實(shí)際工程案例，提出了一種改進(jìn)的計(jì)算方法，為高速公路改擴(kuò)建工程提供更為科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)支持。

1" 高速公路改擴(kuò)建新舊路基結(jié)合部沉降分析

1.1" 新舊路基結(jié)合部沉降機(jī)理

在高速公路改擴(kuò)建過程中，原有路基在擴(kuò)建后，在拓寬路基新荷載作用下，會(huì)出現(xiàn)路基沉降現(xiàn)象，而由于原有路基通常經(jīng)過長(zhǎng)期荷載作用，已經(jīng)發(fā)生了固結(jié)和沉降，而新路基的土壤類型、壓縮性與承載能力可能與新路基的土壤特性不一致，使得新舊路基結(jié)合部在荷載作用下導(dǎo)致結(jié)合處沉降不均勻[3]。其次隨著交通量的增加，車輛荷載的變化會(huì)加劇沉降的不均勻性，特別是在改擴(kuò)建后的初期階段，尚未完全穩(wěn)定，存在沉降的風(fēng)險(xiǎn)，尤其在交通高峰期間，重型車輛的集中通行可能加劇沉降的分布不均勻性。如圖1所示，給出了高速公路改擴(kuò)建新舊地基結(jié)合部沉降變形分布圖，從圖1中可以看出，改擴(kuò)建路基沉降值兩端高中間低，原有路基沉降值中間高兩端低。

1.2" 新舊路基結(jié)合部沉降分析

1.2.1" 新舊路基結(jié)合部的壓縮變形

在道路改擴(kuò)建工程中，若新路基使用的填料和施工方法與老路基存在差異，新路基的變形模量通常與老路基有所不同，而新填料在固結(jié)過程中需要一定的時(shí)間。初期填料中的孔隙水需要被排除，填料進(jìn)一步壓實(shí)和固結(jié)。因此，當(dāng)新路基在初期承受荷載時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)較大的壓縮變形，會(huì)導(dǎo)致新老路基結(jié)合部出現(xiàn)不均勻的沉降。

1.2.2" 新舊路基結(jié)合部的側(cè)向滑移

在高速公路改擴(kuò)建工程中，拓寬路基和原有的老路基之間的強(qiáng)度差異，使得這一結(jié)合部位成為了沉降和變形的重點(diǎn)區(qū)域[4]。由于原有路基經(jīng)過多年的運(yùn)營(yíng)，沉降過程已基本趨于穩(wěn)定，而新路基則還處在不斷固結(jié)和壓實(shí)中，這種強(qiáng)度和變形特性上的差異會(huì)導(dǎo)致新舊路基交接部位產(chǎn)生不均勻沉降，增加路基出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)和側(cè)向滑移的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3" 新舊路基下地基的固結(jié)沉降

在高速公路改擴(kuò)建工程中，由于老路基經(jīng)歷了多年的運(yùn)營(yíng)，其地基土在自重荷載和車輛荷載的作用下已經(jīng)基本完成了固結(jié)，表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的沉降狀態(tài)。然而，新填筑的路基則由于是新建路基，固結(jié)程度相對(duì)較低，需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到與舊路基相當(dāng)?shù)墓探Y(jié)程度，在這個(gè)過程中由于新老路基結(jié)合部的不均勻沉降，導(dǎo)致路面出現(xiàn)明顯的高低差，嚴(yán)重時(shí)可能形成沉陷坑或裂縫[5]。

2" 高速公路改擴(kuò)建新舊路基穩(wěn)定性計(jì)算方法研究

2.1" 新舊地基的附加應(yīng)力

2.1.1" 地表附加荷載的分布特點(diǎn)

在改擴(kuò)建高速公路路基的過程中，新增加的荷載分布形態(tài)主要受到原有路基形成的坡度和新路基邊坡坡度的影響，因此荷載分布通常呈現(xiàn)平行四邊形。隨著改擴(kuò)建工程的推進(jìn)，新舊路基之間的荷載轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致地基應(yīng)力的重新分布，平行四邊形荷載的出現(xiàn)是這種荷載轉(zhuǎn)移的直接結(jié)果。在這種情況下，原有路基的坡度和新路基的邊坡坡度決定了荷載分布的具體形態(tài)，使得改擴(kuò)建區(qū)域的荷載分布更加復(fù)雜而多變。為了更好地理解這種荷載分布，如圖2所示，給出了改擴(kuò)建高速公路外力作用下前后的轉(zhuǎn)換，可以看出，梯形荷載本質(zhì)上是平行四邊形荷載的一種轉(zhuǎn)化形式。通過將平行四邊形荷載簡(jiǎn)化為梯形荷載，能夠更清晰地分析荷載在地基上的分布特征及其對(duì)地基穩(wěn)定性的影響。

2.1.2" 高速公路改擴(kuò)建時(shí)地基附加應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)改擴(kuò)建高速公路的外力作用在地基上時(shí)，會(huì)在地基中引入額外的應(yīng)力，此時(shí)若假設(shè)地基為均勻的、能夠產(chǎn)生線性變形的半無限空間體，則該額外應(yīng)力可以通過彈性半空間理論進(jìn)行分析計(jì)算。

彈性半空間模型用于描述在受到外力作用下的變形行為的理想化模型，在該模型中物體被視為均勻且無限大的彈性介質(zhì)，能夠線性響應(yīng)外力。改擴(kuò)建高速公路施加的外力會(huì)導(dǎo)致地基中產(chǎn)生額外的應(yīng)力，直接影響地基的穩(wěn)定性和變形。因此可以將梯形外力分布拆分為一個(gè)矩形和一個(gè)三角形，利用矩形和三角形應(yīng)力分布的簡(jiǎn)單性質(zhì)，有助于簡(jiǎn)化計(jì)算過程。

矩形分布外力下，高速公路路基任意一點(diǎn)的應(yīng)力值可以表示為公式（1）

式中：mj=z×b；nj=x×b。能夠準(zhǔn)確計(jì)算出土體在矩形荷載下的應(yīng)力分布，反映出應(yīng)力隨著距離荷載中心的變化規(guī)律。

三角形分布外力下，高速公路路基任意一點(diǎn)的應(yīng)力值可以可采用公式（2）計(jì)算

則梯形（ABCD）在外力的作用下隨意一點(diǎn)的豎向應(yīng)力值如公式（3）所示

σz（ABCD）=σz（ABF）+σz（CDE）+σz（BEDF） 。（3）

應(yīng)力分布主要包括拓寬過程中新增荷載的幾何形狀、原有地基的承載特性以及新舊地基之間的交互作用。在改擴(kuò)建區(qū)域的中心，新增荷載通常較為集中，導(dǎo)致中間位置的應(yīng)力增加較大。而在改擴(kuò)建區(qū)域的邊緣，荷載逐漸減小或被舊有地基部分抵消，因此邊緣位置的應(yīng)力增加相對(duì)較小。

2.2" 地基上路基荷載的計(jì)算

路基荷載主要考慮以下2種荷載：路基填土重量及其上面道路和基層的重量，主要包括填料本身的重量，還包括道路結(jié)構(gòu)層和基層的重量；地基沉降所需的新的填料量，為了保持路基的平整和穩(wěn)定，需要在沉降過程中填補(bǔ)新的填料。所以路基的荷載可簡(jiǎn)化處理如公式（4）所示

3" 工程案例分析

3.1" 工程概況

本文以北京市某高速公路項(xiàng)目為研究對(duì)象，高速公路全長(zhǎng)102 km，全線采用雙向六車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，然而，隨著交流流量的顯著增加，原有公路設(shè)計(jì)已無法滿足當(dāng)前交通需求，為解決這一問題，項(xiàng)目需要對(duì)高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建，以提高其承載能力和交通流暢性，從而適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通需求。表1給出了新舊路基土體的基本物理參數(shù)。

3.2" 計(jì)算分析比較

3.2.1" 沉降量分析

圖3給出了不同拓寬方式對(duì)于路基沉降量的影響，從圖3中可以看出，在8 m拓寬寬度的情況下，可以發(fā)現(xiàn)單側(cè)拓寬會(huì)導(dǎo)致比雙側(cè)拓寬更大的沉降差異，且雙側(cè)拓寬的沉降曲線比單側(cè)拓寬更為平緩，雙側(cè)拓寬不僅能夠改善路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，還能夠有效減小沉降的絕對(duì)值。因此更為推薦采用雙側(cè)拓寬方式。

由于不同高度的路基在承載荷載時(shí)，其沉降特性會(huì)有所不同，導(dǎo)致基礎(chǔ)土體出現(xiàn)壓縮，從而影響工程的穩(wěn)定性。如果沉降量超出預(yù)期，會(huì)導(dǎo)致路基不均勻沉降，進(jìn)而影響道路的平整性和使用安全。本文選擇在雙邊改擴(kuò)建4 m的情況下，在不同的路基高度時(shí)，其沉降量計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著填料高度的增加，路堤的最大沉降值也在不斷增大，最大沉降值由路基高度為2 m時(shí)的-12.038 cm增加到路基高度為5.2 m時(shí)的-20.832 cm，并且最大沉降位置逐漸向外移，可能是由于填料高度增加導(dǎo)致的填料壓實(shí)不均或邊緣效應(yīng)。較高的填料對(duì)周圍土體產(chǎn)生更大的側(cè)向壓力，導(dǎo)致沉降區(qū)域向外擴(kuò)展。

3.2.2" 穩(wěn)定性計(jì)算分析

基于實(shí)際工程案例情況，選擇不同的計(jì)算方法計(jì)算高速公路改擴(kuò)建后結(jié)合部的沉降以及穩(wěn)定性分析。主要采取以下3種方法。①本文方法：根據(jù)計(jì)算方法，計(jì)算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)；②內(nèi)力傳遞法：基于內(nèi)力傳遞原理，通過分析邊坡內(nèi)部的力傳遞來確定穩(wěn)定系數(shù)；③圓弧法：通過假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧形狀，計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。

如圖5、圖6所示，給出了3種不同的計(jì)算方法計(jì)算出的邊坡系數(shù)kmin。從圖5中可以看出，隨著路基高度的增加，穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，高度增加會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性，主要是因?yàn)殡S著重量和應(yīng)力的增加，導(dǎo)致邊坡更容易發(fā)生滑動(dòng)。其次本文方法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)值相比于內(nèi)力傳遞法的結(jié)果，偏小約4%～12%。表明本文方法可能對(duì)邊坡穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)相對(duì)較為保守。而當(dāng)與圓弧法的計(jì)算結(jié)果相比時(shí)，本文方法的穩(wěn)定系數(shù)偏小約24%～28%。

從圖6中可以看出，隨著開挖邊坡坡率的增大，穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，因此提高邊坡的坡率可以增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。其次本文方法的計(jì)算結(jié)果與內(nèi)力傳遞法相比，其值偏小的范圍在2%～6%左右。表明在邊坡坡率變化的情況下，本文方法對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的預(yù)測(cè)較內(nèi)力傳遞法略顯保守。與圓弧法的計(jì)算結(jié)果相比，本文方法的穩(wěn)定系數(shù)偏小的幅度為5%～15%左右。

4" 結(jié)論

本文通過結(jié)合實(shí)際工程案例分析，對(duì)高速公路新舊路基結(jié)合處的沉降及穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

1）隨著填料高度的增加，路基的最大沉降值顯著增大，同時(shí)最大沉降位置逐漸向外移，可能是因?yàn)樘盍细叨鹊脑黾訉?dǎo)致填料壓實(shí)不均或邊緣效應(yīng)，從而使沉降區(qū)域向外擴(kuò)展。

2）本文提出的計(jì)算方法相較于內(nèi)力傳遞法以及圓弧法，所計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)kmin偏向保守。計(jì)算結(jié)果從小到大排序?yàn)楸疚姆椒?、?nèi)力傳遞法、圓弧法。

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