軟土地區新老路基無臺階拼接穩定性分析

王 偉

（昆山市交通運輸局，江蘇 昆山215300）

0 引言

近年來隨著經濟的快速發展，許多現有公路不能滿足日益增長的交通需求，同時受國家18 億畝耕地紅線控制，新增用地審批手續愈發嚴格，因而利用老路來拓寬提級改造成為區域交通增容的主要手段之一。

路基沉降由瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降三部分組成。在舊路建設時，路基的瞬時沉降就已經結束；在運營期間，在老路自重及其車輛荷載的長期作用下，軟土地基中土顆粒骨架之間的水分逐漸排出，土顆粒骨架發生的蠕變也基本結束，也就是說，在拓寬建設時期，老路主固結沉降以及次固結沉降也已基本結束，地基已趨于穩定[1]。而對于拓寬路段，從建設到運營期間，初始沉降、固結沉降及其次固結沉降都將會繼續發生；在運營期間將會繼續發生主固結、次固結沉降，這也是新建拓寬段與舊路之間發生差異沉降的主要原因，隨著施工時間間隔的增大，差異沉降也將越大，同時加上荷載的不均勻性，也使得新老路基的沉降變形特性存在較大的差異，最終導致結合部路面出現裂縫、破損、行車不舒適等現象[2]。

1 項目概況

224 省道昆山周市至常熟任陽段舊路路基寬18m，路面寬15.5m，拓寬后采用雙向六車道主輔路標準，主路設計速度為100km/h，輔道設計速度為30km/h，老路肩開挖寬度為2.5m，雙側拓寬各12.75m，拓寬后總寬為41m（其中側分帶2×1.0m，輔道2×3.5m，非機動車道2×2.5m）。

項目線路上主要經過長江流域沖積平原區，整個線路地形較為平坦，土層主要為亞砂土、黏土、亞黏土及淤泥質亞黏土。研究標段軟土路段為K0+000～K2+500、K4+600～K5+130，軟基段長度為3.03km，占該標段總長度的58.7%。該標段軟基主要分布在標段兩頭，軟基分布于淺部，厚度大（19.7～23.7m），變化比較平緩；K4+600～K5+130軟土厚度較小（小于10m）[3]。

項目工程地質條件復雜，沿線不良地質主要為軟土，深厚且分布范圍廣，給新老路基拼接帶來了不利影響，新拼接路堤邊坡穩定性問題尤為突出，亟需研究并提出適合于224省道拓寬改造工程的各種拼接方法和技術措施，從而為224省道及其他類似的高等級公路拓寬改造工程提供科學和可靠的參考依據。

2 拓寬路堤的穩定性分析

路堤邊坡失穩的原因有兩種[4]：

（1）土的抗剪強度由于受到外界各種因素的影響而降低，促使邊坡失穩破壞；

（2）外界力的作用破壞了土體內原有的應力平衡狀態。

舊路拓寬改造工程屬于第二種情況，拓寬路堤相當于在舊路路堤兩側增加邊載，原有的路堤和地基中的應力狀態發生了改變，在地基強度不足或路堤壓實度不夠的情況下可能發生滑動破壞。為了更好地反映新老路基之間的相互作用，本文采用《公路路基設計規范》（JTG D30—2004）推薦的畢肖普法（Bishop）來模擬拓寬路堤的整體穩定性。畢肖普法（Bishop）是在條分法的基礎上加以若干改進，即假定邊坡穩定是個平面應變問題，滑裂面是個圓柱面，計算中只考慮土條間的橫向作用力，忽略豎向剪切力的作用，邊坡穩定的安全系數Fs是滑裂面上全部抗滑力矩和滑動力矩之比[5]。

3 模型簡介

路堤填土高度h=3.0m，地基土層深度H=15m。老路堤開挖后頂寬B＝15.5m（半幅為7.75m），拓寬路堤寬度b=12.75m。新拓寬路堤的邊坡坡比均為1∶1.5，老路堤填土的強度參數為C1=30kPa、φ1=25°，新路堤填土強度參數為C2、φ2，路堤填土重度γ＝19kN/m3；地基強度參數為C3、φ3，地基土的重度γ＝18kN/m3。計算分析拓寬寬度變化、地下水位變化、新路堤填料和地基強度參數變化對拓寬后路堤整體穩定性的影響。區域地下水位一般在地表下1.0m。

4 穩定性評價

4.1 拓寬寬度的影響

新路堤參數C2＝15kPa、φ2＝20°；地基參數C3＝12kPa、φ3＝10°。圖1 所示為Fs隨拓寬寬度的變化情況，可以看出，隨著拓寬寬度b的增加，路堤整體穩定安全系數減小。

圖1 Fs隨拓寬寬度變化

4.2 地下水位的影響

新路堤參數C2＝15kPa、φ2＝20°；地基參數C3＝12kPa、φ3＝10°。圖2 所示為Fs隨地下水位變化情況，可以看出，隨著地下水位的降低，路堤整體穩定安全系數增大。

圖2 Fs隨地下水位變化

4.3 地基強度參數的影響

新路堤參數C2＝15kPa、φ2＝20°；地基參數C3、φ3可變。圖3所示為Fs隨地基強度參數的變化情況，可以看出，隨著地基強度參數的增加，路堤整體穩定安全系數增大。

圖3 Fs隨地基強度參數變化

4.4 路基填料強度參數的影響

地基參數C3＝12kPa、φ3＝15°；新路堤參數C2、φ2可變。圖4 所示為Fs隨路基填料強度參數變化情況，可以看出，隨著路基填料強度參數的增加，路堤整體穩定安全系數增大。

5 結論

拓寬路堤穩定性分析表明：

圖4 Fs隨路基填料強度參數變化

（1）隨著地基參數和新路堤填料參數C、φ值的減小以及地下水位的升高，拓寬路堤的穩定安全系數減小；

（2）影響路堤C、φ值的主要因素是壓實度和含水率，因此拓寬時要嚴格控制新路堤填料的壓實度和設計完善的施工臨時排水系統，保證拓寬路堤的整體穩定性；

（3）地基參數對拓寬路堤整體穩定性的影響大于拓寬路堤填料參數；

（4）隨著拓寬寬度b的增加，拓寬路堤的穩定安全系數減小。

[1] 江蘇省交通科學研究院.滬寧高速公路擴建工程路基拼接設計方法與施工工藝研究報告[R]. 南京：江蘇省交通科學研究院，2004.

[2] 河海大學，江蘇省交通基礎技術工程研究中心.滬寧高速公路路基拓寬綜合處理技術研究成果總結報告[R].南京：河海大學，2004.

[3] 朱士東.懸浮樁在高等級公路工程中的應用研究[J].現代交通技術，2012，4（1）：8-11.

[4] 周恒. 軟土地基上高等級公路拓寬工程設計方法研究[D].南京：東南大學，2005．

[5] E Vos, J F Couvreur, M. Vermaut. Comparison of numeri?cal analysis with field data of a road widening project on peaty soil[R]. Proc. International Workshop: Advances in understanding and modeling the mechanical behavior of peat.Balkema,Rotterdam,1994.