基于數值法的公路擴建前后新老路基沉降特性分析

仲 敏

（中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

在公路修建項目的施工中，常常遇到因新老路基沉降差異造成的工程問題，這些問題會影響工程的進度和施工質量，一直以來度備受學者的關注。

不少學者針對該問題，從多個角度研究了導致新老路基發生不均勻沉降的工程問題，如擴寬條件的差異、在路基拼接出施工方案的不同、路基填料選材的不同等。

原有的地質條件極大的影響著路基拼接處的施工工藝選擇。改建公路的項目在我國中東部地區十分常見，因為這里的地基土多為軟土。此類地質條件的公路擴建多采用擴寬設計。

因此，該文研究新老路基的沉降差異特性，對中東部地區的公路路基擴寬項目具有指導意義。

該文以某國道公路的擴建工程為研究背景，運用有限元數值模擬技術研究了擴建過程中的軟土地基加固的問題，采用有限元數值分析的方法，對施工流程中的開挖方式、坡度、固結度、軟基深度以及軟土壓縮模量等參數進行模擬，研究了不同因素對新老路基沉降特性的影響。

1 工程概況

某國道公路路基由7.5 m擴寬為12 m。擴寬路段的平面設計中心線與老路保持一致，路面由6.0 m擴寬至10.5 m，兩側路基各加寬2.25 m。該路段全長34.026 km，工程要求將三級的水泥混凝土路升級為二級的瀝青混凝土路。縱面設計先將老路破碎挖除，然后鋪設60 cm~70 cm厚的水泥穩定底基層，在底基層上鋪設11 cm厚的改性瀝青混凝土面層。假設路基的橫斷面沿中心線對稱分布，路基高為6 m，考慮路面的等效荷載為1 m，則新、老路基的邊坡率定為1∶1.5。路基加寬部分的軟弱地基采用復合地基處理。

2 數值模擬

2.1 建立有限元模型

根據施工工況以及地質條件，通過PLAXIS軟件模擬路基加寬過程，由于路基長度遠大于寬度，路基寬度可忽略不計，因此可采用二維模型。以路基底部20m，寬100m為研究對象，模型路面寬度為6m，加寬后路面寬度為10.5m，路基原寬度為7.5m，加寬后路基寬度為12m，路基高為6m，路基邊坡坡率為1∶1.5。

2.2 參數計算

地勘資料顯示，擴建地區的地基土從上到下分為亞黏土、淤泥質土以及粉土質砂3層。地基土的埋深與土層分布見表1。路基土層計算參數見表2。

表1 地基土的埋深與土層分布

表2 路基土層計算參數

2.3 填筑加載歷時

計算工況分別如下：1）老路運營時間為8年，新路施工周期為2年。2）新路施工1.5年，新路完工后運營15年。

新路和老路填筑歷時見表3。

表3 老路和新路填筑歷時

3 新、老路基的沉降特性分析

該文著重對比了新、老路基在修建過程中開挖的方法、開挖的坡度、軟基壓縮模量等對路基沉降量額橫坡比的影響，進一步探究軟弱土質區域公路擴建的新老路基沉降演化規律。圖1為加寬施工完成后的沉降分布圖。從圖中可以看出路基沉降規律符合實際情況，說明該文建立的模型的合理性。

圖1 加寬施工完成后的沉降分布圖

3.1 開挖方式的影響

計算工況如下：1）新、老路基均采用臺階式開挖，開挖寬度1.5 m，開挖高度1.0 m。2）邊坡開挖坡率為1∶0.5。不同的路基開挖方式對地表附加沉降量的影響如圖2所示。

圖2 開挖方式對地表沉降的影響

由圖2可以看出，采用臺階式對老路邊坡開挖時，路基中心處的附加沉降值為7.4 cm；當開挖方式變為邊坡開挖后，路基中心處的附加沉降值增大到9.3 cm，沉降量增加了2.57%。這現象說明采用臺階式邊坡開挖有利于減少新路基對老路基的附加沉降問題。由圖1可知，新路采用邊坡開挖的最大沉降值為20.2 cm，與臺階式開挖相比，附加沉降增大了11.6%，增長了2.1 cm，并且在老路的坡腳處發最生大沉降。通過比較發現，采用臺階式開挖后新老路基的沉降顯著減少。

采用不同的開挖方式對新老路基橫坡比的影響，見表4。

由表4可知，路基的開挖方式由邊坡開挖變為臺階式開挖后，路基的橫坡比大幅降低；其中老路竣工后的橫坡比降低了14%，新路的竣工后的橫坡比降低了26%，新老路在改變開挖方式后，橫坡比僅降低了4%，變化不明顯。通過數據分析可以發現，采用臺階式挖可以顯著減少新路和老路基的橫坡比，并且在竣工和工后運營期間對路基橫坡比產生的影響更小。

表4 不同開挖方式新老路橫坡比變化（單位：%）

3.2 開挖坡度的影響

老路基開挖設置1∶0.50，1∶0.75，1∶1.00三種坡率，對這3種工況進行有限元數值模擬，得到不同開挖坡度與地表附加沉降的關系，如圖3所示。

由圖3可知，隨著開挖坡率降低，地表的附加沉降量逐漸減少。當坡率由1∶0.5增加到1∶0.75后，老路的最大附加沉降值從30.1 cm減少到27.4 cm，降低了9%；坡率由1∶0.75增加到1∶1.00后，老路的最大附加沉降值從27.4cm降為25.2cm，降低了8%。從沉降最大值的發生位置可以看出，最大沉降量均出現在老路坡腳附近。與老路相比，開挖坡率的變化對新路路基的沉降影響較小。

圖3 開挖坡度對地表附加沉降的影響

不同的開挖坡率對新老路路基橫坡比影響見表5。

由表5中數據可知，隨著開挖坡率減少，老路的竣工后橫坡比由最先0.98%下降為0.82%，降低了16.3%；新路的竣工后橫坡比由最先1.79%下降為1.78%，下降幅度很小，僅有2.2%；新老路的竣工后橫坡比由最先1.22%下降為1.08%，降低了11.5%。比較運營15年后的各種路基的橫坡比隨開挖坡度的變化發現，隨坡率降低，老路的橫坡比下降了21%；新路的橫坡比上漲了1.7%；新老路的橫坡比下降了12%。通過數據分析發現，開挖坡率的降低有助于老路橫坡比降低，但對新路的橫坡比影響不明顯。

表5 不同開挖坡率新老路基橫坡比變化（單位：%）

3.3 固結度的影響

對運營周期不長的路段來說，在長期的車輛荷載作用下，還會出現一定的固結，沉降還未結束，因此還需要考慮老路固結度變化對沉降特性的影響。

在計算老路沉降固結時，將擴寬部分的的路基荷載作為下一級荷載施加，計算擴寬部分的固結。該文在計算時取老路固結度的值為0.8、0.9、1.0。地表沉降隨固結度的變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著老路固結度的增大，老路的附加沉降逐漸減少。當的取值從0.8增至0.9，從0.9增至1.0時，老路的中心處的沉降量分別減少了21.6%和35.5%。由此可以看出，老路的固結沉降將會給計算結果帶來巨大的影響，因此在計算路基沉降時必須考慮老路的固結度。隨著老路固結度的增大，新路的附加沉降逐漸減少，當的取值從0.8增至0.9，從0.9增至1.0時，新路的最大沉降量由21.9 cm降至21.1cm和19.5cm。新路的沉降會受到老路沉降的影響，兩者之間存在相互作用的現象。

圖4 固結度對地表附加沉降的影響

不同的固結度對新老路路基橫坡比影響見表6。

表6 新老路橫坡比隨老路固結度的變化（單位： %）

由表6可知，隨著老路的固結度增大，道路的橫坡比也逐漸增大，固結每上升0.1，橫坡比在原有基礎上增大50%左右。由于老路固結度的上升，新老路的沉降差異減少。

3.4 軟基深度

設計7.0 m、10.0 m、13.4 m等3個不同的軟基施工深度，探究軟基深度不同時，路基地表沉降量的變化規律，結果如圖5所示。

由圖5可知，軟基深度與路基的附加沉降量的變化呈正相關。隨著軟基深度由7m增加到10m，再增加到13.4m，新路的最大沉降量分別增加了0.7cm和0.6cm；老路中心處的沉降量分別增長了4.8%和5.7%。從圖中的變化趨勢可以看出，隨著軟基深度的增加，附加沉降曲線呈平行下移的態勢，說明軟基的對路基的沉降影響是整體性的。

圖5 軟土厚度對的地表沉降的影響

由表7可知，軟基深度增加后，老路的橫坡比會小幅度增長，漲幅僅為0.03%；新路和新老路的路基橫坡比變幅度不大。無論是竣工后還是運營15年后，軟基深度對路基的橫坡比基本無影響。

表7 新老路橫坡比隨軟土厚度的變化（單位：%)

3.5 軟基壓縮模量的影響

該文設計3個軟基壓縮模量（1000，2000，3000 kPa）對路基的沉降特性進行有限元數值分析，探究不同壓縮模量對路基沉降特性的影響分別進行有限元數值分析。試驗結果如圖6所示。

由圖6可以看出，地表的附加沉降量的發展與軟基壓縮模量呈負相關，隨著壓縮模量（土體剛度）的增大，附加沉降值越來越小。當壓縮模量從1000 kPa增加到3000 kPa后，老路的中心處附件沉降值由12 cm降至8.4 cm，降低了30%；新路的最大附件沉降值由22.4 cm降至18.7 cm，降低了16.5%。從圖中可以看出，與壓縮模量從1000kPa增至2000kPa相比，當壓縮模量從2000kPa增至3000kPa時，路基沉降減少量更少，并且最大沉降出現的位置隨著壓縮模量增加逐漸向外移動。通過上述分析可以說明，當天然路基的強度較低時，采用固化處理能夠更好地解決路基的沉降問題。

圖6 壓縮模量對地表附加沉降的影響

不同的軟土壓縮模量對新老路路基橫坡比影響，見表8。

表8 新老路橫坡比隨軟土壓縮模E的變化（單位：%）

由表8可知，隨著軟基壓縮模量的增大，老路的橫坡比逐漸減少，竣工后橫坡比減少了16%，運營15年后橫坡比減少了18%；而新路的橫坡比逐漸增大，竣工后橫坡比增加了15%，運營15年后橫坡比增加了16%。產生這一現象的原因是新路基在加固處理時，與老路基連接的部分存在強度缺陷，導致老路基的路肩與新路肩的沉降量差距擴大。從表8中數據可知，隨壓縮模量的增大，新老路基的橫坡比有明顯減少。上述分析表明，在進行路基擴寬時，提高路基土的壓縮模量可以遏制新、老路基的不均勻沉降。

4 結論

該文以某國道公路的擴建工程為研究背景，運用有限元數值模擬探究了開挖方式、開挖坡率、軟土壓縮模量等對路基沉降差異的影響，試驗結論如下。1）相較于邊坡開挖，臺階式開挖后新老路基的沉降顯著減少，在竣工和工后運營期間對路基橫坡比產生的影響更小。2）隨著開挖坡率的減少，地表的附加沉降量逐漸減少。與老路相比，開挖坡率的變化對新路路基的沉降影響較小。3）開挖坡率的減少有助于老路橫坡比的降低，但對新路的橫坡比影響不明顯。4）隨軟基深度的增加，附加沉降曲線呈平行下移的態勢，說明軟基的對路基的沉降影響是整體性的。但對路基的橫坡比基本無影響。5）天然路基的強度較低時，采用固化處理能夠更好的改善路基的沉降問題。在進行路基擴寬時，提高路基土的壓縮模量可以遏制新、老路基的不均勻沉降。