舊路拓寬新老路基沉降變形計算

李世奎

在軟土地基上進行高速公路的拓寬工程，由于新老路基的固結程度不同，將會導致路基的不均勻沉降，從而造成路面的開裂。因此，必須準確掌握新老路基的沉降量，并驗算其新老路基的工后沉降量是否能夠滿足差異沉降的控制要求。為提高新老路基沉降量的準確性，本文就新老路基的沉降計算進行了分析研究。

1 加寬新路堤沉降分析

從理論上來講，由于高速公路路基的壓實程度相對較高，因此高速公路擴建工程的路基沉降主要來源于地基沉降。高速公路擴建工程兩側加寬增加的四邊形荷載主要產生兩部分沉降:1)加寬荷載本身引起的新路地基的沉降;2)加寬荷載對老路地基產生的附加沉降。

1)計算點的選取。沉降計算應選取最大沉降點的沉降值作為計算點。高速公路拓寬工程路基地表最大的沉降點位于加寬路基形心位置下附近，因此，計算時可以取加寬路基形心下的點作為計算點，將該點的計算沉降值作為加寬路基下軟土地基處理設計的參照值。2)沉降計算方法。計算中將拓寬路基荷載換算為梯形荷載，如圖1所示，然后計算梯形荷載下加寬地基中各層土體的附加應力，當兩側加寬時，要考慮另一側加寬路基在本側地基中產生的附加應力，將兩側的附加應力進行疊加，最后按照分層總和法計算加寬路基的最終沉降量。由于加寬路基在老路基荷載的長期作用下，部分上層土體會發生不同程度的固結，部分土體還有可能成為超固結土，因此，在采用分層總和法計算時，應考慮這部分土層的固結程度和應力的影響，使計算結果更加準確。高速公路加寬工程新老路基附加沉降計算。加寬荷載對老路地基產生的附加沉降沿路基橫斷面向老路基中心方向逐漸減小，可以根據老路固結程度進行簡化計算。如果老路基的固結程度較高，沉降變形已基本穩定，老路基的沉降變形認為是其在老路基荷載下的再壓縮的變形(或壓縮變形的延續)，即在老路基擴建前的應力狀態下增加相應的附加應力，在原地基土的e—logP曲線上根據老路基現在的應力水平選擇相應的孔隙比，根據分層總和法就可計算出老路基下的附加沉降。老路基的附加最終沉降量還可按照加寬后整個路基的最終沉降量減加寬前老路基的沉降量近似獲得。加寬后整個路基的最終沉降量由分層總和法計算得到;加寬前路基的沉降量由老路總沉降量乘以加寬前老路地基的平均固結度獲得，即:S老路附加總=S整個新路總－U老路加寬前S老路總。

2 加寬新路堤沉降計算

以某高速公路一段濕軟地基拓寬工程為例，計算濕軟地基沉降量。該路基填土容重γ=20 kN/m3，路堤高度為2 m，黏土層厚5 m。路堤的最大強度p=γH=20×2=40 kPa。

路堤填土的重力產生的荷載為梯形分布，如圖2所示，加寬路堤部分可轉化為梯形荷載abcd，將梯形荷載abcd分解成兩個三角形荷載ebc及ead之差簡化計算。

加寬路基的附加應力可按土力學中的疊加方法進行轉化計算。

下面以深度為4 m的地層沉降計算為例，介紹加寬路堤對老路基沉降的影響。計算步驟如下:

1)分層:假定亞黏土為均質土，且地下水位大于5 m處，將分層厚度Hi=0.8 m。2)求各分層面的自重應力:σci=∑γiHi。其中，γi為各層亞黏土的容重，γi=14.8 kPa/m～16.6 kPa/m。3)計算各分層的平均自重應力和平均附加應力。平均自重應力為:。平均附加應力為:。4)由壓縮曲線查出各分層的初始孔隙比(對應于p1i)和壓縮穩定后的孔隙比(對應于p2i)。由于無壓縮曲線資料，本報告按照地基處理前后孔隙比的變化，參考比較成熟的黏性土壓縮曲線，按照最不利的條件來計算分析。5)計算路基的沉降量。如圖2a)所示，分別取特殊點:a.在原路堤中心線以下的點A;b.原路堤路肩以下的點B;c.原路堤坡腳以下的點C;d.加寬路堤的形心以下的點D。

通過以上計算得到西寶高速公路原路堤單側拓寬8 m時的地基表面下4 m深的沉降量圖如圖3所示。

同理，對不同拓寬方式、不同單側加寬寬度以及不同路堤高度進行沉降量計算，計算結果見圖4～圖6。

由圖4～圖6沉降計算圖可以看出:

1)隨著拓寬寬度的增加，差異沉降也逐漸增大，當單側拓寬寬度為2 m時，差異沉降為2.8 cm;寬度為8 m時，差異沉降為10.13 cm。隨著寬度的增加，路堤頂面邊緣的差異沉降曲線的曲率逐漸減小，在寬度達到8 m以前，沉降最大值都發生在路堤頂面邊緣，當寬度達到8 m后，沉降最大值發生在路堤頂面邊緣外側。

2)若需拓寬8 m，采用雙側拓寬、每側拓寬4 m，差異沉降為5.73 cm，采用單側拓寬8 m，差異沉降則達到10.13 cm。從圖4中可以看見，雙側拓寬時曲線較單側拓寬要平緩，即差異沉降不大，所以，如果其他拓寬條件許可，對于路面結構的力學性能而言，采用雙側拓寬比較有利，一方面，將拓寬寬度分布于兩側有利于減小沉降的絕對值;另一方面，雙側拓寬對老路沉降的貢獻較大，有利于減小整個橫斷面的差異沉降。

3)隨著填土高度的增加，最大差異沉降逐漸向外側移動，且最大沉降值也在增加。這就意味著對于高填土路堤，需要采取更多有效的減小差異沉降的措施，并且保證足夠的新老結合面的強度。

3 結語

在相同的加寬寬度下，采用兩側拓寬，有利于減小沉降的絕對值，也有利于減小整個橫斷面的差異沉降;隨著加寬寬度的增加，加寬路基的沉降和新老路基的差異沉降及水平位移逐漸增加，最大沉降點也逐漸向路基外側移動，單側加寬比兩側加寬更為顯著。

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