公路改擴建工程路基沉降控制指標實用性分析與換算

【中圖分類號】：U416.1 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-28-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.007

Practicality Analysis and Conversion of the Subgrade Settlement Control Indexes in Highway Reconstruction and Expansion Projects

LYUPeng，XIAO Tian，LI Bao

（TianjinMunicipal Engineering Designamp; Research InstituteCo.Ltd.，Tianjin 3OO392，China）

【Abstract】：Inviewoftheuncleardefinitionofsubgrade settlementcontrol indices incurrent highwayreconstructionand expansion specifications，this paper determined the location of maximum settlement through analysis of deal settlement basin curves and proposes a conversion formula for transverse and longitudinal slopeadjustments. Taking the Beijing-Tianjin-Tanggu Expressway（Tianjin Section） reconstruction project as a case study，a calculation example demonstrating post-construction slope changes was provided.

【Key words】：highwayrenovationand expansion;subgrade;setlementcontrol;transverseand longitudinalslopeadjustments

隨著我國高等級公路網的日趨完善和交通流量的持續增長，既有公路改擴建的需求愈加迫切。公路改擴建工程中新舊路基的沉降控制尤為重要。我國現行規范對沉降控制的規定相當嚴格和全面：JTGD30—2015《公路路基設計規范》規定“路基拼接時，應控制新老路基之間的差異沉降，既有路基與拓寬路基的路拱橫坡度的工后增大值不應大于 0.5% ’；JTG/TD31-02—2013《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》規定“拓寬部分的工后沉降應滿足橋臺與路堤相鄰處的規定，且拓寬路堤的路拱橫坡度工后相對于交工時的增大值不應大于 0.5% ”，“相鄰路段差異沉降引起的縱坡變化應控制在 0.4% 以內\";JTG/TL11—2014《高速公路改擴建設計細則》規定“工后沉降計算年限宜不小于15年”，“拼寬部分路基工后沉降，應滿足橋頭處不大于 5cm 、通道及涵洞處不大于 10cm 其他一般路段不大于 15cm^′ ’，“差異沉降控制，應滿足拼寬路基的路拱橫坡度增大值不大于 0.5% 、相鄰路段差異沉降引起的縱坡變化不大于 0.4% ”。控制拓寬部分的絕對沉降量，比較好執行，取拓寬部分的最大沉降值來與限制值比較即可；拓寬路堤相對橫縱坡變化量卻沒有明確的定義，橫坡變化量是橫斷面上某兩個點間的橫坡，還是所有的可能位置均要考察一遍，縱坡變化量相鄰路段具體指哪兩個點，距離是多少。

錢勁松等通過ansys非線性有限元模擬了路基加寬的沉降分布規律；孫偉等2通過有限元分析了路基加寬后豎向和水平位移的分布；唐朝生等通過FLAC有限差分軟件，研究了路基加寬后的沉降發展規律和分布特征；翁效林通過有限元和離心模型試驗，系統分析了土工合成材料、各類軟基處置措施和施工工序對于沉降分布情況的影響；以有限元數值仿真為主要手段研究拓寬路基橫斷面沉降發展和分布的成果還有很多5-。以上工作大部分基于學術研究的定位，普遍以有限元數值模擬為主，以特定工程的標準斷面為研究對象，用于指導時效性很強的設計施工過程，顯得過于細致又相對滯后。基于此，本文提出一種基于基本原理和現行規范的改擴建工程路基沉降解析和換算方法。

1沉降控制標準的設計解析與換算

1.1理想沉降盆曲線解析

路基橫斷面，工后基準期的沉降量分布曲線形態是公認的，這個曲線的成立，基于以下假設：

1）新舊路基本身不再壓縮，對沉降無貢獻，僅作為附加荷載；2）地面以下原狀土層的分布和特性（舊路施工之前）新舊路基填料的特性是橫向均勻的，不存在明顯差異；3）新舊路均未采取預壓、輕質土、復合地基等處置措施，或采取的處置措施完全一致。

根據固結沉降理論不難得出，橫斷面上一點的沉降，僅是關于加載時間和附加荷載的函數。相同總附加荷載（路堤高度）和填筑速度下，路基填筑完成后沉降發展的時間曲線相同；而相同填筑速度下，同一時刻的沉降量僅與其上附加的荷載正相關。

在路基加寬橫斷面中，舊路邊坡范圍以內的填土是舊路施工后長期存在的，即使加寬需要超挖舊路路基，其附加荷載也只能是自舊路邊坡線至加寬邊坡線圍成的平行四邊形范圍（假設新舊路邊坡坡率一致，并忽略路拱橫坡）。在這個附加荷載范圍內，荷載最大的部分是自舊路坡腳至新建路肩之間的全高矩形，而矩形范圍兩側附加荷載逐步減小至0。舊路肩以內沒有加寬附加荷載，沉降由早期舊路荷載發展而來，沒有沉降或沉降量很小；舊路肩至舊路坡腳沉降量隨著附加荷載的增加而增大；舊路坡腳至新建路肩附加荷載維持最大值，也是最大沉降區間；新建路肩至新建坡腳沉降量隨著附加荷載減小而趨于0。由于土體是連續介質，應變需要連續協調，一個點的沉降變形對兩側有拖拽效應，沉降量與附加荷載并不呈單一的線性關系，而是接近平滑的盆形曲線，即理想沉降盆曲線。在理想沉降盆曲線中，最大工后沉降位于矩形附加荷載范圍的中心。見圖1。

當路基加寬的寬度較小（如單側只加寬1車道）而填高較大時，可能出現舊路坡腳位于新建路肩以外的情況。這種情況下，最大附加荷載均布于新建路肩至舊路坡腳之間的平行四邊形范圍內，荷載小于路基全高。相應的工后沉降在此區間達到最大。按理想沉降盆曲線，最大工后沉降也應位于此平行四邊形附加荷載范圍的中心。見圖2。

1.2橫坡變化換算

加寬部分路基除最大沉降量不超限值外，還要求工后沉降引起的路拱橫坡度變化值 50.5% 。路拱橫坡變化的最大值位置是關鍵，路拱橫坡變化極值為沉降曲線的最大斜率值，不同斷面下結果不同。工程設計環節往往沒有足夠的時間和資源進行如此細致的研究，迫切需要一種簡化的、相對固定的換算最大橫坡變化的方式。

常用的計算方法是將舊路路肩和新建路肩的沉降進行換算

i_max=（S₃-S₁）/（x₃-x₁）

式中： i_max 為橫坡變化； x₁ 為舊路路肩位置； x₃ 為新路肩位置； S_? 為 x₁ 對應沉降； S₃ 為 x₃ 對應沉降。

式（1）的問題在于： ∣x₁∣ 對應加寬部分沉降開始增長的位置，而 x₃ 往往不對應最大沉降位置，計算結果偏于樂觀。

考慮到附加荷載的分布情況和理想沉降盆曲線的形態，將橫坡變化最大值定義為 x₁，x₂ 位置的沉降差。新路肩至舊坡腳的中間位置 x₂ ，對應盆形曲線最大沉降 S₂ ，有

x₂=（x₃+x₄）/2

i_max=（S₂-S₁）/（x₂-x₁）

雖然盆形曲線的局部斜率可能大于 i_max ，但只是很小的一部分。考慮到設計中增加的墊層格室、搭接格柵措施對沉降的平衡作用，實際橫坡變化將更接近i_max 。從新舊路基搭接的整體橫坡變化上看，這種換算方式是相當有代表性的。

1.3破裂角與沉降過渡

當路基因為不同處理措施而發生沉降時，必然存在一個沉降過渡區。設想一種較為簡單的情況，路基一部分采取了復合地基處理措施，另一部分沒有，地基處理的部分必定產生更大的沉降，極端情況，沉降差異過大以致路基土剪切破壞，這個剪切破壞面可以等同于主動土壓力下的破裂面。見圖3。

根據庫倫土壓力理論和GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》，假設將沉降較大的一側路基視為直立墻背，忽略路面結構強度差異和車載影響，則破裂角

而當墻背直立 α^′=90^° ，則有

θ=（α+φ）/2

式中： θ 為土體臨界滑動面與水平面的夾角； φ 為土的內摩擦角； α 為邊坡與水平面的夾角； ∣c∣ 為土的黏聚力； γ 為支護結構后的土體重度； h 為邊坡的垂直高度； α 為支擋結構墻背與水平面的夾角。

路基土強度參數依賴土質和壓實度，填料內摩擦角與破裂角的關系見表1。

壓實良好的路基填土，等效摩擦角可達 35^° ，因此θ 應不低于 62.5^° 。可以近似認為，由于局部地質條件和處理措施不同導致的路基不均勻沉降，在路基填土中引發的應變影響范圍為按 θ 角定義的破裂面以內。

1.4縱坡變化換算

路基縱向不同處置方式及處置強度將發生不同的工后沉降。段落銜接處，在較小的距離上面臨較大的差異沉降。

1）情況1：復合地基處理方式（樁型、樁長、樁間距）的變化。見圖4。

2種處理措施對應的路段緊鄰，忽略小范圍內道路縱坡的填高和土質變化，處理措施在樁頂高度所產生的工后沉降分別為 S_s，S₆ ，且 S_sgt;S₆ 。路基設計中為了降低樁土應力比和過渡沉降變形，一般會在樁頂設置碎石墊層，并輔以土工格柵（格室），以增強墊層的抗拉性能。在碎石墊層的作用下，樁頂沉降由 S₅ 過渡到 S₆ 是在一個樁間距內完成。

假設路基填土均經過良好的壓實度控制，路基土本身不會在重力作用下產生固結沉降，那么2種處理措施的樁頂沉降量將完全傳導至路面，路面對應區域的工后沉降量分別為

S₅^′=S₅

S₆^′=S₆

現實條件下，不大可能允許出現差異沉降導致路基整體滑裂；因此，一般情況下基于路基填土的連續介質特性，由沉降導致的變形在空間中連續變化。

結合破裂角問題，可以認為：相比樁頂 S₅～S₆ 的變化，路面位置的沉降 S₅^′～S₆ 將在更大范圍內過渡，自S_s，S₆ 邊界各自向上作2條直線，與路面交點之間的區域可以近似地認為是 S_s^′??S₆ 的過渡范圍。用線性變化來描述這一沉降過渡，可以的得到關于路面工后沉降縱坡變化的表達式

式中：s為處理措施突變處樁的縱向凈距，如有樁

帽則為樁帽凈距； H 為路基填高。

2）情況2：復合地基處理過渡段。如遇涵洞、通道或銜接橋頭時，有時會設置一個樁長或樁間距的地基處理過渡段，以減小道路縱向的不均勻沉降。見圖5。

過渡段內的樁長或樁間距變化通常是線性的，因此認為其對應的沉降變化也是線性的。則有

式中 ：L_t 為過渡段的長度。

2沉降控制實例

京津塘高速公路（天津段）改擴建工程舊路為雙向4車道，路基寬度 26.0m ，邊坡坡率1：2；兩側對稱加寬為雙向8車道，路基寬度 42.0m ，邊坡坡率1：1.5，每側加寬 8.0m 。見圖6。

420075300 4×375 75.30075 4×375 300L土硬路 行 路中路 行車道 5硬路路緣 車道 帶帶帶 緣路路肩肩帶 原老路基（全部利用） 帶肩肩路基加寬部分 路基加寬部分250 2×37512600 2×375 250800 75 50 7530075 50 75 800路基設計標高欄 欄路基設計標高路面邊部排水系統護欄 2%0 信臺園 4護欄 路面邊部排水系統100100100邊坡護欄 通訊管道 中央分隔帶排水系 邊坡護欄 100100隔離柵 排護 00 護排100新用地界 水坡 1 設計中心線 7 坡水 隔離柵溝組 組溝 新用地界100×100排水溝 路基加寬部分 老路基 路基加寬部分單位：mm

2.1橫向沉降控制

圖6所示標準橫斷面，式（3）中的 x₁=13

橫坡控制標準為 i_max?0.5% ，京津塘高速公路（天津段）改擴建工程處于濱海軟土地區，在平均填高H=2.5m 下，有 S₂-S₁?3.25cm 。由此將橫坡變化問

題轉換為工后沉降量問題。

此外，由于已固結的老路路肩 S₁ 基本不可能超標，橫向沉降最大位置通常為 S₂{ （即使布置了軟基處理措施），那么還應滿足基準期沉降量要求

S₂?5 cm（橋頭） S₂?10cm （通道涵洞）

S₂?15cm （一般段）

最終拓寬路基橫向沉降控制為關于 S₂"的控制，但會受 S₁"的影響。

2.2縱向沉降控制

京津塘高速公路（段）改擴建工程地基普遍采取了預制管樁的處理措施。管樁樁徑 0.4m ，矩形布置，樁間距為 2.0m ，樁頂設有樁帽，邊長 1.2m 。一般路基段，樁長變化為 2m 一檔，即相鄰處理路段的樁長突變不超過 2m ，且不設過渡段。

由于管樁樁帽設計為緊扣樁頂的現澆形式，認為樁帽完全承擔了樁頂的沉降和剛度， s=0.8m 。θ=62.5^°"，在平均填高 H=2.5m 下，縱坡控制標準為i_v?0.4% ，根據式（9）則有 S₅-S₆?1.4cm

S₅，S₆"還需要也需滿足規范關于的基準期沉降量的要求。

3結論

1）公路改擴建中的沉降控制分為路基橫向和縱向2個方面，均應遵從坡度變化限制和沉降量限制的雙控原則。

2）在改擴建路基橫斷面的工后沉降盆形曲線中，最大沉降位置對應附加荷載的四邊形區域的中心點，即舊路坡腳至拓寬路肩的中點。以此位置換算的橫坡變化，比按新老路肩換算結果更為準確和貼近

實際。

3）因地基處理措施不同導致的縱向沉降差異傳遞到路面，將在更長距離上實現過渡。路面差異沉降的過渡距離，可以用破裂面延伸至路面的交點來近似地衡量。

4）在具體項目中，路基拓寬的工后沉降橫坡變化率和縱坡變化率都可以由沉降量簡單換算得到，最終轉化為通過控制沉降量來進行地基設計。

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