高速公路改擴建新舊路基結合部沉降及穩定性計算方法研究

摘" 要：隨著城市化進程的加速和經濟發展對交通基礎設施的需求增加，高速公路作為重要的交通動脈，其改擴建工作變得日益頻繁。改擴建過程中，新舊路基結合部的設計和施工對道路的長期穩定性和安全性具有重要影響。該文圍繞高速公路改擴建中的新舊路基結合部，通過結合實際工程案例，探討穩定性計算方法。研究結果表明，該文所提出的方法計算的kmin值，相較于內力傳遞法以及圓弧法計算數值偏低。

關鍵詞：高速公路；道路改擴建；路基沉降；穩定性分析；計算方法

中圖分類號：U416.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0176-04

Abstract： With the acceleration of urbanization and the increasing demand for transportation infrastructure for economic development， highways， as an important transportation artery， and their reconstruction and expansion work has become increasingly frequent. During the reconstruction and expansion process， the design and construction of the joint between the old and new subgrade have an important impact on the long-term stability and safety of the road. Focusing on the junction between old and new roadbed in the reconstruction and expansion of highways， this paper discusses the stability calculation method by combining practical engineering cases. The research results show that the kmin value calculated by the proposed method is lower than that calculated by the internal force transfer method and the circular arc method.

Keywords： highway; road reconstruction and expansion; subgrade settlement; stability analysis; calculation method

隨著城市化進程的加速和經濟的快速發展，高速公路作為現代交通基礎設施的骨干，承擔著越來越重要的運輸任務。高速公路的改擴建成為應對交通需求增長、提升道路通行能力的主要手段[1]。然而在新舊路基結合部的處理上，由于材料性質、施工工藝以及荷載條件上的差異，導致新老路基結合部容易出現沉降不均和穩定性問題，不僅會影響道路的平整性，還會引發安全隱患和長期維護成本的增加[2]。因此，對新舊路基結合部的沉降及穩定性進行精確計算和科學控制，是確保高速公路改擴建工程成功的關鍵。文章通過結合實際工程案例，提出了一種改進的計算方法，為高速公路改擴建工程提供更為科學的設計依據和技術支持。

1" 高速公路改擴建新舊路基結合部沉降分析

1.1" 新舊路基結合部沉降機理

在高速公路改擴建過程中，原有路基在擴建后，在拓寬路基新荷載作用下，會出現路基沉降現象，而由于原有路基通常經過長期荷載作用，已經發生了固結和沉降，而新路基的土壤類型、壓縮性與承載能力可能與新路基的土壤特性不一致，使得新舊路基結合部在荷載作用下導致結合處沉降不均勻[3]。其次隨著交通量的增加，車輛荷載的變化會加劇沉降的不均勻性，特別是在改擴建后的初期階段，尚未完全穩定，存在沉降的風險，尤其在交通高峰期間，重型車輛的集中通行可能加劇沉降的分布不均勻性。如圖1所示，給出了高速公路改擴建新舊地基結合部沉降變形分布圖，從圖1中可以看出，改擴建路基沉降值兩端高中間低，原有路基沉降值中間高兩端低。

1.2" 新舊路基結合部沉降分析

1.2.1" 新舊路基結合部的壓縮變形

在道路改擴建工程中，若新路基使用的填料和施工方法與老路基存在差異，新路基的變形模量通常與老路基有所不同，而新填料在固結過程中需要一定的時間。初期填料中的孔隙水需要被排除，填料進一步壓實和固結。因此，當新路基在初期承受荷載時，可能會出現較大的壓縮變形，會導致新老路基結合部出現不均勻的沉降。

1.2.2" 新舊路基結合部的側向滑移

在高速公路改擴建工程中，拓寬路基和原有的老路基之間的強度差異，使得這一結合部位成為了沉降和變形的重點區域[4]。由于原有路基經過多年的運營，沉降過程已基本趨于穩定，而新路基則還處在不斷固結和壓實中，這種強度和變形特性上的差異會導致新舊路基交接部位產生不均勻沉降，增加路基出現錯動和側向滑移的風險。

1.2.3" 新舊路基下地基的固結沉降

在高速公路改擴建工程中，由于老路基經歷了多年的運營，其地基土在自重荷載和車輛荷載的作用下已經基本完成了固結，表現出較為穩定的沉降狀態。然而，新填筑的路基則由于是新建路基，固結程度相對較低，需要經歷較長時間才能達到與舊路基相當的固結程度，在這個過程中由于新老路基結合部的不均勻沉降，導致路面出現明顯的高低差，嚴重時可能形成沉陷坑或裂縫[5]。

2" 高速公路改擴建新舊路基穩定性計算方法研究

2.1" 新舊地基的附加應力

2.1.1" 地表附加荷載的分布特點

在改擴建高速公路路基的過程中，新增加的荷載分布形態主要受到原有路基形成的坡度和新路基邊坡坡度的影響，因此荷載分布通常呈現平行四邊形。隨著改擴建工程的推進，新舊路基之間的荷載轉移可能導致地基應力的重新分布，平行四邊形荷載的出現是這種荷載轉移的直接結果。在這種情況下，原有路基的坡度和新路基的邊坡坡度決定了荷載分布的具體形態，使得改擴建區域的荷載分布更加復雜而多變。為了更好地理解這種荷載分布，如圖2所示，給出了改擴建高速公路外力作用下前后的轉換，可以看出，梯形荷載本質上是平行四邊形荷載的一種轉化形式。通過將平行四邊形荷載簡化為梯形荷載，能夠更清晰地分析荷載在地基上的分布特征及其對地基穩定性的影響。

2.1.2" 高速公路改擴建時地基附加應力計算

當改擴建高速公路的外力作用在地基上時，會在地基中引入額外的應力，此時若假設地基為均勻的、能夠產生線性變形的半無限空間體，則該額外應力可以通過彈性半空間理論進行分析計算。

彈性半空間模型用于描述在受到外力作用下的變形行為的理想化模型，在該模型中物體被視為均勻且無限大的彈性介質，能夠線性響應外力。改擴建高速公路施加的外力會導致地基中產生額外的應力，直接影響地基的穩定性和變形。因此可以將梯形外力分布拆分為一個矩形和一個三角形，利用矩形和三角形應力分布的簡單性質，有助于簡化計算過程。

矩形分布外力下，高速公路路基任意一點的應力值可以表示為公式（1）

式中：mj=z×b；nj=x×b。能夠準確計算出土體在矩形荷載下的應力分布，反映出應力隨著距離荷載中心的變化規律。

三角形分布外力下，高速公路路基任意一點的應力值可以可采用公式（2）計算

則梯形（ABCD）在外力的作用下隨意一點的豎向應力值如公式（3）所示

σz（ABCD）=σz（ABF）+σz（CDE）+σz（BEDF） 。（3）

應力分布主要包括拓寬過程中新增荷載的幾何形狀、原有地基的承載特性以及新舊地基之間的交互作用。在改擴建區域的中心，新增荷載通常較為集中，導致中間位置的應力增加較大。而在改擴建區域的邊緣，荷載逐漸減小或被舊有地基部分抵消，因此邊緣位置的應力增加相對較小。

2.2" 地基上路基荷載的計算

路基荷載主要考慮以下2種荷載：路基填土重量及其上面道路和基層的重量，主要包括填料本身的重量，還包括道路結構層和基層的重量；地基沉降所需的新的填料量，為了保持路基的平整和穩定，需要在沉降過程中填補新的填料。所以路基的荷載可簡化處理如公式（4）所示

3" 工程案例分析

3.1" 工程概況

本文以北京市某高速公路項目為研究對象，高速公路全長102 km，全線采用雙向六車道設計，設計速度為100 km/h，然而，隨著交流流量的顯著增加，原有公路設計已無法滿足當前交通需求，為解決這一問題，項目需要對高速公路進行改擴建，以提高其承載能力和交通流暢性，從而適應日益增長的交通需求。表1給出了新舊路基土體的基本物理參數。

3.2" 計算分析比較

3.2.1" 沉降量分析

圖3給出了不同拓寬方式對于路基沉降量的影響，從圖3中可以看出，在8 m拓寬寬度的情況下，可以發現單側拓寬會導致比雙側拓寬更大的沉降差異，且雙側拓寬的沉降曲線比單側拓寬更為平緩，雙側拓寬不僅能夠改善路面結構的力學性能，還能夠有效減小沉降的絕對值。因此更為推薦采用雙側拓寬方式。

由于不同高度的路基在承載荷載時，其沉降特性會有所不同，導致基礎土體出現壓縮，從而影響工程的穩定性。如果沉降量超出預期，會導致路基不均勻沉降，進而影響道路的平整性和使用安全。本文選擇在雙邊改擴建4 m的情況下，在不同的路基高度時，其沉降量計算結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著填料高度的增加，路堤的最大沉降值也在不斷增大，最大沉降值由路基高度為2 m時的-12.038 cm增加到路基高度為5.2 m時的-20.832 cm，并且最大沉降位置逐漸向外移，可能是由于填料高度增加導致的填料壓實不均或邊緣效應。較高的填料對周圍土體產生更大的側向壓力，導致沉降區域向外擴展。

3.2.2" 穩定性計算分析

基于實際工程案例情況，選擇不同的計算方法計算高速公路改擴建后結合部的沉降以及穩定性分析。主要采取以下3種方法。①本文方法：根據計算方法，計算邊坡的穩定系數；②內力傳遞法：基于內力傳遞原理，通過分析邊坡內部的力傳遞來確定穩定系數；③圓弧法：通過假設滑動面為圓弧形狀，計算邊坡的穩定性。

如圖5、圖6所示，給出了3種不同的計算方法計算出的邊坡系數kmin。從圖5中可以看出，隨著路基高度的增加，穩定系數呈現出減少的趨勢，高度增加會降低邊坡的穩定性，主要是因為隨著重量和應力的增加，導致邊坡更容易發生滑動。其次本文方法計算的穩定系數值相比于內力傳遞法的結果，偏小約4%～12%。表明本文方法可能對邊坡穩定性的預測相對較為保守。而當與圓弧法的計算結果相比時，本文方法的穩定系數偏小約24%～28%。

從圖6中可以看出，隨著開挖邊坡坡率的增大，穩定系數呈現出增加的趨勢，因此提高邊坡的坡率可以增強邊坡的穩定性。其次本文方法的計算結果與內力傳遞法相比，其值偏小的范圍在2%～6%左右。表明在邊坡坡率變化的情況下，本文方法對穩定系數的預測較內力傳遞法略顯保守。與圓弧法的計算結果相比，本文方法的穩定系數偏小的幅度為5%～15%左右。

4" 結論

本文通過結合實際工程案例分析，對高速公路新舊路基結合處的沉降及穩定性計算進行了研究，主要得出以下結論：

1）隨著填料高度的增加，路基的最大沉降值顯著增大，同時最大沉降位置逐漸向外移，可能是因為填料高度的增加導致填料壓實不均或邊緣效應，從而使沉降區域向外擴展。

2）本文提出的計算方法相較于內力傳遞法以及圓弧法，所計算的穩定系數kmin偏向保守。計算結果從小到大排序為本文方法、內力傳遞法、圓弧法。

參考文獻：

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[2] 李剛，郭艷玲.高速公路改擴建新舊路基差異沉降影響因素分析[J].公路交通科技，2021，38（7）：22-28.

[3] 栗曉林，馬巍，穆彥虎，等.邊界條件對多年凍土區高速公路整體式和分離式路基熱穩定性的影響[J].中南大學學報（自然科學版），2020，51（2）：420-432.

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[5] 梁斌，卜一鳴，李文杰，等.高速公路軟弱路基邊坡沉降滑移機理分析及微型樁復合加固[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2024，45（3）：67-76.