高速公路加寬路基新舊結合部差異沉降控制研究

郭艷玲 李 剛 陳 維 朱云雄 劉澤輝

（1、越秀交通基建有限公司，廣東 廣州510000 2、湖南長株高速公路開發有限責任公司，湖南 長沙410129）

我國早期已經建成使用的高速公路中，由于受建設時期的社會經濟條件、技術水平及建設思想的制約，大部分是雙向四車道，部分樞紐互通匝道為單向單車道。隨著我國經濟的迅速發展，早期建成的高速公路已不能完全滿足當今交通量發展需求，交通阻塞嚴重，交通量飽和。因此高速公路改擴建已成為公路建設中的重要工作之一，而中高速公路加寬時新老路基差異沉降就是面臨最重要的問題之一[1-2]。

通常采用數值模擬、土工模型試驗及現場試驗的方法對新舊路基差異沉降特性進行研究，依靠這些方法，國內外學者取得了豐碩的成果。錢勁松等[3]采用數值模擬的方法研究分析拓寬方式及寬度、路基高度等一些重要影響因素對新舊路基差異沉降的影響，并根據所研究的問題給出了合理的解決措施。滕海生[4]運用PLAXIS 有限元軟件對舊路加寬施工過程中臺階的開挖方案進行數值模擬分析，計算各種開挖方案下新舊路基的差異沉降，提出合理的施工方案。

在前人的研究成果之上，筆者依托湖南長株高速公路改擴建工程，借助有限元軟件，建立數值分析模型。通過對不同的加寬寬度、填筑高度、路基模量和地基模量等因素的考慮，研究新舊路基在施工過程中變形特性，同時研究加寬路基填筑對舊路基應力和應變特性影響。以期對現場試驗成果進行補充和完善。

1 工程概況

1.1 依托工程

研究依托湖南長株高速公路改擴建項目，長株高速（S21）公路全長41.574 公里，全線呈南北走向，主線采用四車道高速公路標準建設，起于長沙縣黃花鎮，止于與醴潭高速公路相交的龍頭鋪互通，株洲連接線止于株洲電機廠西北。項目地理位置示意圖如圖1 所示。

圖1 項目地理位置示意圖

1.2 地質情況

擬建路線主要穿越沖積洪積平原地貌單元區、剝蝕堆積山間平原地貌單元區及剝蝕丘陵及其邊緣地貌單元區，沿線地形總體較平緩，第四系覆蓋層厚度不均，下伏巖層主要為砂巖、泥巖及燕山期侵入脈巖等，地質情況較復雜。沿線路基的加寬方式有單側分離式、單側加寬式、雙側加寬式，地基處理方式主要是強夯處理，部分采用水泥攪拌樁處理。

2 有限元模型建立

本節借助midas 有限元數值模擬軟件，通過改變加寬寬度和填筑高度，研究新舊路基在施工過程中變形特性。

2.1 計算模型建立

本章數值模擬選取一個基本工況，并形成5 種對比方案，每種對比方案中包含基本工況在內共有5 種工況。在基本工況的模型中，地基土由3 種土層組成，如圖2 所示。

圖2 計算模型

2.2 邊界條件

計算模型近似為半空間無限體，模型底部邊界采用xy 雙向位移約束，側邊界采用法向位移約束，施加重力荷載和施加均布荷載。

2.3 本構模型及計算參數

老路基、新路基以及地基土均視為服從Mohr-Coulomb 屈服準則的理想彈塑性材料。根據地勘及設計資料材料參數見表1。

表1 計算參數

3 差異沉降影響因素

3.1 不同填筑高度對差異沉降的影響

由于高速公路改擴建工程受地形高低變化的影響，不同斷面會出現不同的填挖高度，不同高度的路堤在重力荷載的作用下，產生的變形是不同的。因此，路堤高度是影響路堤及地基變形的最直接的因素，就路基填土高度對新舊路基結合處差異沉降影響的研究是有必要的。對路基填土高度分別選取5.0m、7.0m、9.0m、11.0m 和13.0m 等幾種情況進行有限元數值模擬分析，分別計算各種情況下拓寬路基頂面各點的最終沉降，并繪制成沉降曲線。在計算中仍然以半幅路基為研究對象，新路基加寬寬度為3.5m，位移云圖如圖3 所示，計算對比結果如圖4、圖5 所示。

圖3 填高變化下的位移云圖

圖4 填土高度對加寬路基沉降的影響

圖5 不同填高時差異沉降

從圖4 和圖5 中可以看出，拓寬路基不均勻沉降隨著路基填土高度的增加而增大，舊路中心的附加沉降越大。即新路基的最大沉降量和新舊路基結合處差異沉降都隨著加寬寬度的增加而逐漸的增大。同時可以看出，路基填土高度越小，拓寬路基頂面沉降曲線越接近“～”形。這是因為，填土高度越小，新路基對舊路基的影響越小，從而舊路基的附加沉降變形就越小，所以沉降曲線前段的變化比較平緩；且當填土高度小時舊路基對新路基的沉降影響作用也較小，所以沉降曲線后段的變化也比較平緩。綜上，隨著路基高度的增加差異沉降和表面水平位移也逐漸的增加，且路基填土高度越小，加寬路基頂面沉降曲線就越接近“～”形。因此，在滿足路基得最小填土高度前提下，控制路基填土高度可以有效減小差異沉降。

3.2 不同加寬寬度對差異沉降的影響

對兩側加寬方式進行考慮，由于路基呈對稱結構，取一半路基計算，每側的加寬寬度選取分別為2.5m、3.0m、3.5m、4.0m 和5.0m 時對拓寬路基的影響。路基高度選為7m，新舊路路基邊坡都為1：1.5 時，其位移云圖如圖6 所示，并將不同加寬寬度的計算結果做如下對比分析，計算結果如圖7、圖8 所示。

圖6 加寬變化下的位移云圖

圖7 加寬高度對加寬路基沉降的影響

圖8 不同加寬寬度時差異沉降

由圖7 和圖8 可以看出，隨著加寬寬度的增加，加寬路基不均勻沉降越大，舊路中心附加沉降逐漸變大。即新路基的最大沉降量和新舊路基差異沉降都隨著加寬寬度的增加而逐漸的增大，且新舊路基結合處差異沉降增大較為明顯。

4 結論

4.1 從沉降、水平位移和應力方面全面分析了拓寬路基差異沉降特性，拓寬路基的差異沉降曲線（取半幅）呈“～”形，在舊路基中心沉降最小，新路基路肩附近沉降最大，具體位置在新路基形心位置左右。

4.2 在填筑高度、路基參數和地基條件一致時，新路基的最大沉降量和新舊路基差異沉降都隨著加寬寬度的增加而逐漸的增大，且新舊路基結合處差異沉降增大較為明顯。加寬路基寬度為2.5m 時，路基頂面沉降最大15.18mm，最大差異沉降為4.73mm；加寬路基寬度為5.0m 時，路基頂面最大沉降達到2.66mm，最大差異沉降為3.99mm。因此，在滿足路基最小拓寬寬度的情況下，控制路基寬度可以有效減小差異沉降。