石斌
中国建筑土木建设有限公司 北京丰台 100070
摘要：随着我国经济的快速发展以及交通量的增加，越来越多的高速公路扩建工程被提到日程上来。本文对高速公路拓宽方式对路基沉降变化规律的分析得出，路基功能使用造成对沉降和变形有一定影响，导致路面结构中出现附加应力，损坏原本的路面结构，表明了路基沉降差异随着路基拓宽宽度的增加而增大，单侧拓宽的方式造成的路基沉降比双侧拓宽的路基沉降更大。
关键词：高速公路；拓宽方式；路基沉降；沉降差异
近年来我国越来越多的高速公路进行了拓宽改建,由于我国经济的迅速发展，汽车保有量的增加，原有的高速公路已经不能满足正常的行车量需求，建设单位开始对原有的高速公路进行加宽处理。在高速公路拓宽的过程中，会有新旧路基的横向交接，可能出现不均匀的沉降或变形，导致路面结构被破坏，而且单侧拓宽以及双侧拓宽对路基造成的沉降量也不同，所以需要分析不同的拓宽方式对路基沉降造成的影响程度。
一、高速公路拓宽会造成的工程危害
对高速公路进行拓宽可能会导致路面以及路基损坏，并且会损坏高速公路拓宽段的支挡结构。路面的损坏主要表现为：公路面层破碎；新旧连接面出现裂缝。裂缝的走向主要以纵向裂缝为主。高速公路拓宽之后产生裂缝比较严重的路段，发现裂缝大多数发生在拓宽施工正式通车后，集中在高速路堤的拓宽路段，而且每个纵向裂缝的位置都在原有公路上。高速公路拓宽后新旧路基会产生相互作用，并且在不同的阶段相互作用会产生不同的结果。例如对路堤进行削坡，如果坡度过大，可能会导致旧路基的坍塌；如果在水分过多的路段进行抽水清淤，抽水速度过快会导致水面降低过大，造成抽水段路基的沉降；在对新路基进行打桩时，会造成附近的旧路基回弹。总之在高速公路拓宽时，会不同程度的对旧路基产生破坏。
二、差异沉降的模型假设和计算参数
1、差异沉降的模型假设。公路路基沉降主要由两部分组成，即地基在路基自重作用下的固结压缩变形以及路基本身的固结压缩变形。路基的工后沉降量主要是由地基土的沉降固结引起，但也不能排除路基本身的次固结变形，即土体骨架发生粘滞蠕变所致。路基顶面工后沉降即为土基工后固结变形与路基工后自身压缩变形之和。土基的工后固结变形应用有限元模拟计算，模型假设如下：按空间问题考虑，进行三维有限元分析；土体为弹塑性材料，采用Drucker-Prager 模型；新旧路基接触面完全连续，且不发生滑移；边界条件：地基底面为三个方向完全约束；地基宽度两侧水平约束（X，Y 方向）；地基和路基沿公路延伸方向（Z方向）水平约束。
2、模型计算参数。以某高速公路的拓宽改建为例，该高速公路原本的路基宽度为24m，高度为4m，路基削坡之后的坡度比为1:1.5，高速公路原本的地基深度约为20m。路基的沉降变形是因为路上荷载对路基的重压导致产生应力和应变，应力和应变会在路基竖直方向变形，也就是路基的沉降。路基的沉降变形，会受到填筑土质压缩性影响，路面重压会使路基的土质收缩，从而排出路基中的水分和空气，导致体积的减小，出现沉降。由于路基是分层进行施工，所以可以认为路基在受到压路机的重压时已经到达了最大的压实度，所以后期拓宽的沉降变形可能是因为地基土质的沉降和变形引起的。除此之外，对其他沉降原因进行分析，施工人员发现路基本身的重量，也会对地基造成沉降，从而出现变形；路面在遭到较大承载力时，会导致路基出现塑性变形。
三、差异沉降的特点分析
从有限元模型计算结果来看，新路基沉降大大高于旧路基沉降，沉降峰值出现在新路基路肩附近，旧路基中心线处沉降量最低。在旧路基中心和旧路肩边缘处沉降差异较小，新旧路基衔接处和新路基路肩处的差异沉降较大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆造成这种差异的原因主要是由于旧路基较宽，而每侧拓宽才8m，新路基对旧路基的作用力影响不到旧路基中心或者说影响很小；而中间新旧路基衔接段由于旧路基边坡各点高度渐变的原因，旧路基边坡上方新路基填土高度不一，因而沉降变化较大；若道路拓宽宽度较大，而路基填土高度较低，则旧路基坡脚线与新路基路肩边缘有一定距离，在此距离内新路基的填土高度是定值，均为路基填土高，则沉降值趋于相同。
由拓宽路基的差异沉降曲线呈“～”形，在旧路基中心沉降最小，新路基路肩附近沉降最大，在新路肩附近形成一个下凹的弯沉盆。拓宽路基的“～”形沉降曲线并非对称的，新路基段沉降曲线曲率半径要比旧路基段沉降曲线曲率半径大得多。旧路基段曲线比较平缓，尤其是靠近旧路中心一侧大体呈等斜率变化，而在新旧路基交界处以及新路基处的沉降曲线起伏变化较大。“～”形沉降曲线的具体形状根据路基的填土高度、土基压缩模量等变化而变化，由多种因素共同影响。
四、差异沉降影响因素分析
1、拓宽方式和宽度对差异沉降影响
(1)单侧加宽。取4m 高路基计算，对于单侧加宽的路基，随着拓宽宽度的增加，差异沉降也逐渐增加。当拓宽4m时，新旧路基最大差异沉降为7.6cm，而当拓宽路基拓宽宽度从4m 增加到8m时，最大差异沉降增加到12.2cm，增加值为4.6cm；当拓宽宽度从8m 增加到12m时， 最大差异沉降只增加了1.8cm。可见，差异沉降的增加和拓宽宽度的增加是不同步的。并且，当拓宽宽度较小时，最大沉降发生在新路基路肩边缘处，随着拓宽宽度的增加，路基最大沉降点越靠近道路内侧，且在新路基出现反向横坡，即在新路基出现凹陷，在雨季容易出现雨水积聚，使路面使用功能下降且造成路面水损害。路面拓宽宽度越大，则在拓宽路基“～”形沉降曲线中的凹形沉降盆就越明显，这不仅仅容易造成积水，在行车荷载作用下，路面底部受差异沉降附近拉应力和荷载作用拉应力双重作用，极易造成路面纵向开裂。因此，在公路拓宽过程中必须限制拓宽宽度，建议以8m，即拓宽2 车道为宜。
(2)双侧加宽。双侧加宽的差异沉降曲线基本与单侧加宽相同，但新旧路基的最大差异沉降略有减小，这是由于双侧加宽使得旧路基两侧的受力得到平衡，新路基自重荷载对旧路中部的附加应力得到增加，从而使得旧路中心也发生较大的沉降，相应减小了拓宽路基的差异沉降。若对于相同的拓宽宽度，双侧加宽能使得加宽路堤重量分配到旧路两侧，将极大地改善新旧路基沉降曲线形态，对路面结构的受力也是有利的。另外，双侧拓宽可以减少拓宽所需土石方量。但是，双侧拓宽也加大了工程的施工难度。
结论
（1）拓宽路基的差异沉降曲线（取半幅）呈“～”形，在旧路基中心沉降最小，新路基路肩附近沉降最大，在新路肩附近形成一个下凹的弯沉盆。“～”形沉降曲线具体形状由拓宽方式、填土高度、土基压缩模量等多种因素共同影响。
（2）双侧拓宽在差异沉降控制上优于单侧拓宽。过大的拓宽宽度使得拓宽路基最大沉降点内移，容易造成路面受力不良和积水，因此在公路拓宽工程中应尽量采用双侧拓宽，每侧拓宽宽度宜不超过两个车道。
（3）受边界条件的影响，路基填土高度越小，拓宽路基顶面沉降曲线越接近“～”形。
参考文献：
[1] 范黎明.高速公路拓宽软土路基差异沉降分析理论与工程实践现状[J].城市道桥与防洪，2015（5）：10.
[2] 傅珍，王选仓，陈星光.高速公路拓宽方式对路基差异沉降的影响[J].路基工程，2013（4）：22-23.
[3] 左文荣，陆钊，左人宇.路基差异沉降处治方案的对比研究[J].路基工程，2014（4）：19.
[4] 韦先林，汪益敏.高速公路扩建工程路面施工对路基沉降的影响[J].公路，2013（8）：60.
论文作者:石斌
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/26
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