高速公路路基拓寬不均勻沉降數值分析

鄭亞萌

（中咨華科交通建設技術有限公司,北京 100195）

0 引言

高速公路的改造隨著交通運輸需求的增加，變得越來越受重視。在實際工程中，由于交通負荷和承載能力的不平衡，對于現有高速公路的改造往往需要進行路基拓寬。然而，路基拓寬可能會引起不均勻沉降問題，給道路使用和維護帶來一系列的挑戰。路基沉降是路面或路基在使用過程中發生下沉的現象，不均勻沉降是指沉降過程中出現的空間分布不均勻，即不同路段或不同位置的沉降程度不同。這種不均勻沉降會導致路面出現凹陷、裂縫等問題，對行車安全和道路使用壽命產生嚴重影響。賈寶新[1]基于有限差分原理建立三維有限元數值計算模型對公路改擴建導致新老路基之間差異沉降的因素進行了探討。研究發現新路基土的彈性模量對沉降影響較小，在實際工程中新路基土的彈性模量通常較高，具有較好的回彈性能，可以一定程度上抵消荷載引起的沉降。劉彬[2]通過數值模擬的方式，研究立體改擴建道路橋墩與高填方路基交叉影響。研究結果顯示，拓寬路基最大沉降發生在荷載形心處，通過地基處治可以減少拓寬路基差異沉降和立體層橋墩位移。

數值分析方法廣泛應用于工程實踐中，用以解決高速公路路基拓寬不均勻沉降的問題。通過建立數學模型和采用有限元等數值方法，可以模擬和分析拓寬后路基的力學行為，預測沉降的分布和程度。數值分析方法可以考慮復雜的土體和路基結構特性，同時可以模擬各種荷載條件下的變形和應力分布，通過合理選擇數值方法和參數，模型驗證與實測數據或其他已有可信數據進行對比，提高檢驗模型的適用性和準確度。李駿[3]基于山東省內黃泛平原高速公路路基拓寬背景，提出了一種名為分部拓寬法的黃泛區路基拓寬理論。該理論采用分部填筑法和智慧型土工合成材料與北斗系統相結合的方法，實現了對路基變形的內外聯合監測，并通過輕質神經網絡工具建立了拓寬路基的變形預測方法，而分部拓寬理論可以提升高速公路改擴建的技術水平，節約經濟成本，并為道路病害的處置和預防提供科學決策支撐。肖杰[4]以復合地基沉降影響因素分析為基礎，提出了一種優化的復合地基設計方案，并利用有限元分析軟件對不同樁端持力層剛度條件下的復合地基處治效果進行了分析。研究結果表明，優化設計方案能夠有效控制地表和路基的沉降，并降低新舊路基之間的差異沉降。付建軍[5]為了應對堤防路基改擴建工程中的實際問題，采用離散元模型模擬研究在不同的加載位置下新老路基拼接處的不均勻沉降情況。研究結果表明，該離散元模型能夠有效模擬實際情況下新老路基拼接處的沉降問題。

該文旨在通過數值分析研究高速公路路基拓寬引起的不均勻沉降問題。通過該研究，可以為高速公路改造工程提供科學依據和技術指導，準確預測不均勻沉降的程度和分布，有助于合理規劃工程設計和施工措施，降低沉降引起的不良影響，保障路基的穩定性和道路的安全性，為相關領域的工程實踐和學術研究提供有益的參考。

1 高速公路路基拓寬路基沉降機理

路基沉降是土體固結行為的表現。土體的力學行為可以使用固－液－氣三相模型來描述，其中固結是指土體中氣相空間不斷減少，固相成分逐漸致密，而液相逐步從土體中排出的過程。固結沉降可分為三類：瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降。瞬時沉降是指荷載施加之初，土體在極短時間內迅速向四周位移，高度減小，此時土體尚未釋放孔隙水壓力；主固結沉降發生在時間累積和荷載不斷提高的過程中，大部分孔隙水壓力得以釋放，土體被壓縮而變形；次固結沉降發生在荷載施加完畢后，土顆粒間的接觸出現錯動和輕微調整，孔隙水壓力繼續釋放，土體發生蠕變變形。

在高速公路改擴建過程中，新老路基的沉降過程在時空上不同，導致了兩者間的差異沉降。對于老路基來說，經過多年服役，其主要沉降階段已結束。在改擴建活動介入后，新路基的建設給了老路基附加應力，導致老路基發生一定程度的壓縮固結。改擴建工程完畢后，老路基再次投入使用，交通荷載的循環積累以及與新路基的拼接導致老路基第三階段沉降的出現，而對于新路基來說，在填筑建設中土體基本達到致密，完成了新路基第一階段的沉降。改擴建工程完畢后，新路基投入使用，承受交通荷載的循環積累和自身的蠕變變形，導致新路基第二階段沉降的發生。

2 工程概況及計算模型建立

2.1 工程概況

某高速公路擴建工程地下水平均埋深約為3 m，基巖深度較大，土層組合多樣且復雜，包括砂土、黏土、粉土等。該擴建工程路線全長約142.69 km，原路基標準橫斷面寬24 m。在對原有道路進行加寬處理時，采取了開挖臺階的方式拼接新老路基，加寬后路基邊坡坡率為1 ∶1.5。根據測量結果，繪制出老路基施工前沉降變形情況，如圖1 所示，可以看出老路基的沉降量非常小，僅為0.026 mm，這一測量結果表明，在此段時間內老路基的沉降情況相對較穩定，沒有明顯的變化，說明老路基的承載能力良好，并且滿足當前的交通和荷載條件下的需求。

圖1 老路基施工前沉降變形

2.2 有限元模型建立

有限元計算在公路拓寬工程差異沉降分析中是一種常見的方法，可以預測和評估土體沉降情況。然而，在進行分析時存在一些難題。一方面土體的本構關系可能非常復雜，不同區域甚至不同層次的土體表現出不同的力學行為。準確地描述土體的本構關系對于有限元模型的建立至關重要，但缺乏大量的試驗數據可能導致模型的不確定性，從而影響計算結果的準確性。另一方面，土體和結構之間的接觸面會發生變化，并且受到邊界條件等復雜因素的影響。準確建立接觸面參數和處理復雜的邊界條件是保證有限元計算結果準確性的關鍵。因此，為了提高準確性，可以利用試驗數據或現場實測數據進行反分析，進一步驗證和修正計算模型和參數，以確保分析結果的可靠性。使用ABAQUS 進行數值模擬，可以全面評估高速公路路基拓寬不同寬度的承載能力、變形特性和穩定性，通過模擬不同寬度下的路基，可以獲取相關的參數，例如沉降量和變形情況等，可以更全面地評估工程的可行性和安全性。如圖2 所示，給出了該文的計算模型簡圖。

圖2 計算模型簡圖

為了方便計算，在建立有限元分析模型時，一般會進行一些假設和簡化，以簡化問題并提高計算效率。以下是該文假設和簡化情況：

平面假設：假設路基沿著道路縱向無限延伸，把問題簡化為二維平面問題；

土體性質假設：將路基視為各向同性的、具有彈性的理想構造物；

荷載假設：假設路面各層的荷載等效于1 m 的填土，設置重力荷載，以便于分析路基沉降關系。

邊界條件假設：地基底面受水平和垂直方向的約束，但僅在地基左右兩側的水平方向上受約束。地表假設是可滲透的邊界，其余部分是不可滲透的邊界。這樣的邊界條件假設可以簡化模型，并使計算更容易進行。

2.3 計算參數選取

根據工程路段地勘報告和土工試驗報告，確定了拓寬路段地基土主要為粉質黏土。根據表1 中的材料參數取值，可以精確地定義所選模型的特性。

表1 道路結構層材料參數取值

3 計算結果分析

3.1 不同拓寬寬度對路基沉降量的影響

如圖3 所示，給出了不同拓寬寬度路基沉降曲線變化圖，可以觀察到沉降變化曲線的變化規律呈“勺”型，且隨著路基拓寬寬度的增加，這種勺形特征將更加明顯。通過觀察曲線趨勢可以發現，豎向位移沉降量與路基距離老路基中心線的距離呈正線性關系，且這種關系呈單調遞增，與老路基中心線距離越遠，路基的豎向位移沉降量就越大。當距離老路基中心線的達到20 m 時，在新路基的路肩位置會出現最大的沉降值。這些結果的取得，對設計、評估路基工程縱向變形和沉降都具有十分重要的意義。

圖3 不同拓寬寬度路基沉降曲線變化圖

3.2 不同拓寬寬度對路基最大差異沉降影響

根據圖4 所示的不同拓寬寬度路基最大差異沉降曲線變化圖，可以觀察到新老路基的最大差異沉降與加寬寬度近乎呈線性關系。隨著路基拓寬寬度的增加，最大的差異沉降也逐漸增大。當路基總加寬以10 m、12 m、14 m和16 m 加寬時，對應的最大差異沉降分別為3.97 cm、4.91 cm、6.06 cm 和7.78 cm。加寬16 m 的路基與加寬10 m 的路基相比，最大差幅增加了49.3%。

圖4 不同拓寬寬度路基最大差異沉降曲線變化圖

在路基加寬寬度增加時，路基頂面的沉降變形顯著增大。當加寬寬度到16 m 時，導致不均勻沉降量到達最大值，因此在進行高速公路路基加寬時，應采取嚴格的沉降控制技術，確保土體的壓實度和路基穩定性，以保證道路平整度和使用壽命。

4 結語

該文通過數值分析方法對高速公路路基拓寬不均勻沉降問題進行研究，并得出以下結論：

（1）路基拓寬寬度增加，沉降曲線顯著呈“勺”型變化，豎向位移沉降量與距離老路中心線的距離正相關，離中心線越遠，豎直位移越大，最大沉降可能出現在新路基的路肩位置。

（2）新老路基的最大差異沉降與路基加寬寬度呈線性關系。相對于路基加寬10 m，加寬16 m 的最大差異沉降增加了49.3%。在路基設計中需充分考慮路基加寬寬度對差異沉降的影響，合理選擇路基加寬寬度，采取嚴格的沉降控制技術，以確保路基的穩定性和安全性。