山區公路改擴建工程路基拓寬技術研究

蘇 辰

(新疆立弓交通勘察設計研究院有限公司 烏魯木齊市 831400)

近年來山區公路逐漸成為我國基礎交通設施發展中的關鍵力量，其建設步伐日益加快。但是由于原有的公路設計標準較低，隨著交通量的逐年提高其設計通行能力已經不能滿足要求，造成公路交通壓力大，容易造成道路擁堵、交通事故等。目前解決這一問題一般有新建公路和改擴建公路兩種方式，后者由于建設周期短、占地面積少、耗費資金少等特點，在改善公路通行能力中應用廣泛。相關研究表明[1]，山區公路改擴建路基拓寬的關鍵技術就是降低新舊路基之間的不均勻沉降。較普通地區而言，山區公路改擴建項目的路基拓寬設計施工難度更大，往往加寬寬度較薄、加寬方式受地形限制，且可能遭遇滑坡、崩塌、溶洞等不良地質[2]。因此，在山區公路改擴建過程中，從破壞機理入手，對新舊路路基不均勻沉降的影響因素和處治技術展開深入地分析具有十分重要的意義。

1 山區公路新舊路基結合位置破壞機理

1.1 結合處變形

在進行公路路基拓寬時，新路基一般作為邊載施加在老路基的邊坡，而邊載對舊路基沉降變形的影響主要體現于兩個方面：

(1)新路基填料的重量相當于作用在舊路基的重力；

(2)地基土表面產生的附加應力在公路橫斷面上的分布差異較大，尤其是軟土地基，新舊路基的應力歷史不等，固結度也存在差異，導致拓寬新路基與舊路基之間產生不均勻沉降。

此外，在山區地質不良路段進行路基拓寬時，路基頂面沉降并不是因為其自身的壓縮變形，而是來自地基沉降，見圖1(a)。而在地質較好路段，由于地基沉降變形較小，對新路基坡腳有一定的約束作用，所以公路拓寬路基的沉降主要來自路基自身的壓縮變形[3]，見圖1(b)。

1.2 結合處應力分析

利用軟件PLAXIS8.0得到了山區陡坡地段和平坦地段在新路基填筑后路基整體的塑性點分布情況，如圖2所示。

由計算結果可知，在新路基填筑結束之后，新老路基會產生不均勻沉降，導致路基頂部產生較大拉應力(圖中黑色區域)，這就會導致公路在運營期間，容易在該處出現拉裂破壞。根據損傷力學可知[4]，如果路基頂部出現張拉裂隙，周圍的應力會因為重新分布而增加。如果新舊路基結合位置的差異沉降持續增加，裂隙也會逐漸延展并沿著路基下方擴展；與此同時，新舊路基結合位置的中部產生了屈服點(圖中紅色區域)，這表明此位置是拓寬路基的最薄弱點，會最早出現塑性破壞。

2 山區公路新舊路基不均勻沉降影響因素

2.1 工程背景

以某二級改擴建公路拓寬路基(K0+248～K0+268段)為研究對象對其不均勻沉降影響因素展開分析。該公路原路基寬度18m，填方高度是8m，路線總體長度24.25km。原路基下方的地基土以軟土、淤泥土為主，含水量高、承載力較低、呈塑性流動狀態。路基填料為土石(紅泥巖和粉質黏土)混填，選擇強夯法對墊層進行了處理。

2.2 模型建立及網格劃分

山區公路拓寬路基的不均勻沉降屬于平面應變問題的范疇，因此，為了保證軟件的計算速度和精度要求，用PLAXIS8.0軟件分析時將路基建成二維平面模型，并采取三角形單元進行網格自動劃分[5]。軟件計算時采用M-P屈服準則，模型的邊界條件是：地基底部對x、y、z 三個方向位移完全約束，對路基邊坡外側水平位移約束、豎向自由變形，路基頂面不施加任何邊界條件[6]。與此同時，將路基模型按照土體性質差異性劃分為三個區域，每個區域均采用brick單元，并對填方路基區域網格進行加密，共劃分5872個網格。公路改擴建路基有限元計算模型如圖3所示。

根據工程實際對土層性質進行了簡化處理，具體物理力學參數見表1。

表1 地基及路基填料物理力學參數

2.3 不同工況下新老路基不均勻沉降變化

(1)不同拓寬寬度的影響

山區公路改擴建公路新路基拓寬寬度分別選擇1m、2.5m、4m、6m、10m，各拓寬寬度下新舊路基頂面沉降變化量的計算結果見圖4。

由計算結果可知，隨著公路路基拓寬寬度的增加，路基頂面的豎向位移不斷增大，且新舊路基之間的不協調變形持續增大，這種現象表明：隨著路基加寬寬度的增加，舊路基在新路基的邊載作用下引起的附加應力也持續提高，使得老路基的沉降不斷增大。但是當路基的拓寬寬度增大到某一臨界值時，再增加路基的拓寬寬度對舊路基所產生的附加應力影響較小，即其引起的舊路基的沉降無明顯變化。

路基拓寬寬度不同，路基頂面出現不協調變形最大值的位置也有差異，當公路路基的拓寬寬度1～6m范圍內，不協調變形最大值出現在新路基邊緣，當公路路基的加寬超過6m時，其最大值出現在新路基邊緣內側，這會使得公路拓寬部分路面產生反坡，容易出現雨水聚集，損害路面結構層，導致公路運營功能和壽命下降[7]。

(2)不同填方高度的影響

山區公路改擴建公路路基填方高度取8m、14m、20m、30m，不同填方高度下新舊路基沉降變形的計算結果見圖5。

由計算結果可知，拓寬路基的沉降變形、不協調變形均隨著公路路基填方高度的提高不斷增大。出現這種現象的主要原因在于：山區公路路基填方高度增加，則新路基對舊路基產生的附加應力不斷增大，使得舊路基的沉降變形也持續增加。此外，當路基填方高度相等時，距離道路中心線越遠位移變化越明顯，當監測點距離道路中心線小于1m時，路基頂面基本不出現不均勻沉降。

(3)新路基剛度模量變化的影響

山區公路改擴建拓寬路基剛度模量分別取5MPa、12MPa、30MPa、50MPa、70MPa、90MPa，不同剛度模量下拓寬路基的沉降變形計算結果如圖6所示。

由計算結果可知，當監測點距離道路中心線小于1m時，新路基填料剛度模量的變化對路基頂面的沉降基本無影響；當監測點距離道路中心線大于1m時，路基頂面的沉降隨著新路基填料剛度模量增大而降低，新舊路基間的不均勻變形有了明顯的改善。但是當新路基填料剛度模量處于30～90MPa范圍內，增加彈性模型對路基頂面沉降的影響較小，這說明增加新路基填料的剛度模量超過一個界限(30MPa)后，增加剛度模量對改善拓寬路基的不協調變形效果不理想。

3 山區公路新舊路基結合部位處治措施

在山區公路改擴建工程中，新舊路基結合處是其最薄弱的部分，如何提高新舊路基結合位置強度是山區公路改擴建路基拓寬的最重要技術之一。基于上文新舊路基不均勻沉降機理及變化特征，再參考國內外工程實例，提出山區公路改擴建工程中新舊路基結合處的處治措施劃分為外部處治、內部處治和綜合處治三類，具體處治措施見表2。

表2 新舊路基結合部位處治措施分類

4 結語

筆者利用軟件PLAXIS8.0對山區公路改擴建工程中路基拓寬不均勻沉降的機理、變形規律及具體處治措施展開了詳細的分析，主要得到了以下幾個方面的結論：

(1)在山區公路改擴建工程中新路基一般以邊載的形式作用于老路基的邊坡上，新舊路基結合位置的中部是拓寬路基最薄弱的地方，會最先出現塑性破壞。

(2)隨著公路路基拓寬寬度和填方高度的增加，路基頂面的豎向位移不斷增大，且新舊路基之間的不協調變形持續增大，距離道路中心線越遠位移變化越明顯。路基頂面的沉降隨著新路基填料剛度模量增大而降低，新舊路基間的不均勻變形有了明顯的改善，但當剛度模量超過30MPa，增加剛度模量對改善拓寬路基的不協調變形效果不明顯。

(3)山區公路改擴建工程中新舊路基結合部位處治措施劃分為外部處治、內部處治和綜合處治三大類。