拓寬路基沉降變形規律及影響因素分析

摘要：為系統研究高速公路拓寬后的路基變形規律和影響因素，文章基于ABAQUS軟件建立數值計算模型，系統分析了路基拓寬變形規律及路基填筑寬度、填筑高度及施工固結時間對路基變形的影響。結果表明：路基拓寬后，沉降首先發生在老路基中心位置，且隨著距老路基中心距離的增大，路基變形先增大后減小，最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm；路基變形隨填筑寬度的增大而增大，在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm；填筑高度對沉降的影響比較小，計算結果顯示，不同填土高度的最終沉降量均為156 mm，但分層填筑高度對路基變形達到最大值的速率有影響；實際工程中應盡量使土體得到充分固結沉降，從而減小公路在運營期的沉降變形。

關鍵詞：路基拓寬；變形規律；影響因素；高速公路

中圖分類號：U416.1+1

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，現有已建高速公路無法滿足日益增長的交通量需求，采用路基拓寬方式解決交通擁堵成為公路工程項目的重要內容。薛洋［1］基于數值模擬系統分析了公路拓寬路基變形特性的影響因素。結果表明，采用雙側拓寬的方式比單側拓寬方式的沉降變形更小更安全。此外，路基寬度和高度的增大會導致新舊路基水平變形和不均勻沉降增大。盧業旭等［2］基于數值模擬系統地研究了堆填厚度及填筑速率對拓寬路基變形的影響，結果表明，筑填速率越快，路基變形越大，且孔隙水壓力消散越慢；隨填土厚度的增大，相同填筑速率下差異性沉降的沉降量隨之變大。翁效林等［3-4］基于有限元數值模擬系統地分析了路基拓寬時管樁復合地基沉降變形機理，結果表明管樁處理能夠較好地控制軟土地基的沉降，有效緩解拓寬新老路基的差異沉降問題；基于有限元研究了影響拓寬路基差異性沉降的因素，結果表明差異沉降限隨填方高度的增加而增大，隨著拓寬比的增加而減小，隨著路堤填料彈性模量的增加而增大。陳庚等［5］基于數值分析，系統地研究了擴寬公路的變形特征，結果表明地基沉降和水平位移主要發生在軟土淺層，在拓寬荷載作用下，新舊路堤交界面處會產生過大的剪應力。于建榮等［6］基于有限元模擬系統地研究了拓寬路基沉降特性與影響因素，結果表明對于軟土地區的路基拓寬沉降曲線呈現“反盆形”狀態，道路的不均勻沉降量隨新填路基彈性模量的提高而增大。采用地基處理進行加固可以顯著減小路基沉降和不均勻變形。

本文基于某實際工程案例，采用ABAQUS軟件建立數值計算模型，系統地分析了路面加寬前后路基的穩定性，并在此基礎上研究了公路拓寬穩定性的影響因素，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況與數值模型

某高速公路某段路基拓寬工程原始路堤寬度為14 m，為適應日益增大的交通量，拓寬寬度為8 m，邊坡坡率為1∶1.5。擴寬按照每層0.8 m進行臺階式施工。根據現場鉆孔資料顯示，巖土體由上到下分別為填土、粉土和黏土。根據典型剖面建立數值計算模型如圖1所示。為了減小應力波在模型邊界反射造成的誤差，適當對建模范圍進行擴大。模型的邊界條件為底部約束三個方向的自由度。左右兩側施加水平方向的約束，頂部為自由面。本文對模型中所采用的土體的物理力學參數如表1所示。巖土體的計算采用摩爾-庫侖本構模型，其力學參數如表1所示。

本文相關的路基拓寬項目采用的加載方式如圖2所示。即荷載施加歷時30 d，固結時間為30 d，當填筑高度達到4 m時，固結時間為365 d。

2 計算結果與分析

2.1 路基拓寬變形規律

圖3匯總得到了拓寬路基變形曲線。結果表明，隨著距離的增大，路基變形量先增大后減小，在距離為50 m的時候，路基變形量達到最大，最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm。綜合來看，路基變形首先發生在老路基的中心點處，在新老路基交界位置處變形速率最大。實際工程中，對于新老路基交界位置需格外重視。

2.2 路基拓寬寬度對穩定性的影響

圖4匯總得到了拓寬寬度對路基變形的影響曲線。結果表明，隨拓寬寬度的增大，路基變形逐漸增大，相同拓寬寬度下，隨距離的增大而先增大后減小。在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm。也就是說，當拓寬寬度增大到一定程度時，路基變形的速率越來越小。此外，最大沉降位[JP+1]置逐漸從新老路基交界位置處轉移至新路基中心位置，這是因為隨新路基的寬度逐漸增大，老路在尺寸上所占的比例逐漸減小，路基應力發生重分布，因此在理想狀態下，路基變形會發生轉移。圖5給出了固結時間對路基變形的影響曲線。結果表明，在拓寬11 m和14 m時，路基的沉降速率顯著增大，因此路基拓寬寬度增大不僅會增大路基的沉降量，也會增大沉降速率。

2.3 分層填土厚度對穩定性的影響

圖6匯總得到填筑高度對路基變形的影響曲線。結果表明，填筑高度對路基的變形影響非常小。總體來看，沉降曲線呈拋物線分布。這是因為改變分層高度只會影響施工工期，而對于填筑的物理力學參數性質改變不明顯。圖7展示了填筑高度沉降與工期的關系。結果表明，不同填筑高度的最終沉降量均為156 mm，但不同的填筑高度會影響路基達到最大沉降值的時刻。此外，分層填筑高度對路基變形達到最大值的速率有影響。下頁圖8展示了分層填筑與沉降的關系。結果表明，沉降速率與分層高度呈線性關系。這主要是由分層填筑高度的逐漸累積所導致的。實際工程中，應盡量減小分層填筑高度，以避免過快沉降。

2.4 施工期填土固結時間對穩定性的影響

在其他條件不變的情況下，分別計算了路基施工期填土固結時間為5 d、15 d和30 d工況下的拓寬沉降規律如圖9所示。結果表明，在三種不同的固結時間下，沉降曲線近似重合，證明施工期填土固結時間對路基的沉降影響較小。最大沉降發生在距離50 m位置，最大值均為160 mm。這是因為本文所研究的是竣工后1年的變形量，因此在比較長的時間內，施工期的變形基本不屬于沉降的主要因素。此外，與不同填筑層厚度相比，時間對沉降的影響也比較小，這也證明，路基沉降的最終變形量對施工的敏感性比較低。

圖10展示了施工期填土固結時間對工后沉降的影響情況。結果表明，隨著施工期填土固結時間的變大，公路的竣工后變形量增大，其中最大沉降由160 mm增大至250 mm。最大值增長幅度為6%。導致這一現象的主要原因是施加固結時間比較長，土體固結程度比較充分，從而竣工后的沉降相對地就會減小。實際工程中，應充分考慮土體的固結時間對路基沉降的影響。在不同的施工工期中，采用不同的措施，盡量使得路基在荷載作用下固結沉降最為充分，從而減小公路運營期的沉降。

3 結語

本文基于ABAQUS軟件建立數值計算模型，系統地分析了路基拓寬變形規律及路基填筑寬度、填筑高度及施工固結時間對路基變形的影響。得到如下幾點結論：

（1）路基變形首先發生在老路基的中心點處，在新老路基交界位置處變形速率最大，隨著距老路基中心距離的增大，路基變形先增大后減小，在距離為50 m的時候，路基變形量達到最大。最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm。

（2）隨拓寬寬度的增大，路基變形逐漸增大，相同拓寬寬度下，隨距離的增大而先增大后減小。在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm。此外，最大沉降位置由新老路基交界位置處逐漸轉移值新路基中心位置。

（3）填筑高度對于路基的變形影響非常小，且沉降曲線呈拋物線分布。不同填筑高度的最終沉降量均為156 mm，但不同填筑高度會影響路基達到最大沉降值的時刻。此外，分層填筑高度對路基變形達到最大值的速率有影響。

（4）施工期的路基固結沉降在總沉降值中所占的比例較小，且遠比分層填筑高度對路基變形的影響更小。因此實際工程中應盡量使土體得到充分固結沉降，從而減小公路在運營期的沉降變形。

參考文獻

［1］薛 洋.不同設計參數對公路拓寬路基變形特性的影響［J］.山東交通科技，2022，188（1）：46-49.

［2］盧業旭，孫少銳.基于堆填厚度及填筑速率的拓寬路基變形研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2014，31（2）：24-27.

［3］翁效林，王 瑋，張留俊.拓寬路基荷載下管樁復合地基沉降變形模式［J］.長安大學學報（自然科學版），2012，32（1）：31-35.

［4］翁效林，高建華，宋文佳，等.基于拓寬路面附加變形的地基差異沉降控制標準［J］.長安大學學報（自然科學版），2013，33（5）：26-31.

［5］陳 庚，王 波，陳永輝，等.海域擴寬公路的變形特征及數值模擬分析［J］.地下空間與工程學報，2018，14（1）：273-279.

［6］于建榮，程小強，李 峰，等.改擴建道路縱向加高拓寬路基沉降特性與影響因素研究［J］.路基工程，2019，206（5）：35-39.

收稿日期：2024-03-06

作者簡介：孔德財（1990—），一級建造師，主要從事高速公路建設、二級公路建設等監理工作。