山区公路改扩建工程路基拓宽技术研究

苏 辰

(新疆立弓交通勘察设计研究院有限公司 乌鲁木齐市 831400)

近年来山区公路逐渐成为我国基础交通设施发展中的关键力量，其建设步伐日益加快。但是由于原有的公路设计标准较低，随着交通量的逐年提高其设计通行能力已经不能满足要求，造成公路交通压力大，容易造成道路拥堵、交通事故等。目前解决这一问题一般有新建公路和改扩建公路两种方式，后者由于建设周期短、占地面积少、耗费资金少等特点，在改善公路通行能力中应用广泛。相关研究表明[1]，山区公路改扩建路基拓宽的关键技术就是降低新旧路基之间的不均匀沉降。较普通地区而言，山区公路改扩建项目的路基拓宽设计施工难度更大，往往加宽宽度较薄、加宽方式受地形限制，且可能遭遇滑坡、崩塌、溶洞等不良地质[2]。因此，在山区公路改扩建过程中，从破坏机理入手，对新旧路路基不均匀沉降的影响因素和处治技术展开深入地分析具有十分重要的意义。

1 山区公路新旧路基结合位置破坏机理

1.1 结合处变形

在进行公路路基拓宽时，新路基一般作为边载施加在老路基的边坡，而边载对旧路基沉降变形的影响主要体现于两个方面：

(1)新路基填料的重量相当于作用在旧路基的重力；

(2)地基土表面产生的附加应力在公路横断面上的分布差异较大，尤其是软土地基，新旧路基的应力历史不等，固结度也存在差异，导致拓宽新路基与旧路基之间产生不均匀沉降。

此外，在山区地质不良路段进行路基拓宽时，路基顶面沉降并不是因为其自身的压缩变形，而是来自地基沉降，见图1(a)。而在地质较好路段，由于地基沉降变形较小，对新路基坡脚有一定的约束作用，所以公路拓宽路基的沉降主要来自路基自身的压缩变形[3]，见图1(b)。

1.2 结合处应力分析

利用软件PLAXIS8.0得到了山区陡坡地段和平坦地段在新路基填筑后路基整体的塑性点分布情况，如图2所示。

由计算结果可知，在新路基填筑结束之后，新老路基会产生不均匀沉降，导致路基顶部产生较大拉应力(图中黑色区域)，这就会导致公路在运营期间，容易在该处出现拉裂破坏。根据损伤力学可知[4]，如果路基顶部出现张拉裂隙，周围的应力会因为重新分布而增加。如果新旧路基结合位置的差异沉降持续增加，裂隙也会逐渐延展并沿着路基下方扩展；与此同时，新旧路基结合位置的中部产生了屈服点(图中红色区域)，这表明此位置是拓宽路基的最薄弱点，会最早出现塑性破坏。

2 山区公路新旧路基不均匀沉降影响因素

2.1 工程背景

以某二级改扩建公路拓宽路基(K0+248～K0+268段)为研究对象对其不均匀沉降影响因素展开分析。该公路原路基宽度18m，填方高度是8m，路线总体长度24.25km。原路基下方的地基土以软土、淤泥土为主，含水量高、承载力较低、呈塑性流动状态。路基填料为土石(红泥岩和粉质黏土)混填，选择强夯法对垫层进行了处理。

2.2 模型建立及网格划分

山区公路拓宽路基的不均匀沉降属于平面应变问题的范畴，因此，为了保证软件的计算速度和精度要求，用PLAXIS8.0软件分析时将路基建成二维平面模型，并采取三角形单元进行网格自动划分[5]。软件计算时采用M-P屈服准则，模型的边界条件是：地基底部对x、y、z 三个方向位移完全约束，对路基边坡外侧水平位移约束、竖向自由变形，路基顶面不施加任何边界条件[6]。与此同时，将路基模型按照土体性质差异性划分为三个区域，每个区域均采用brick单元，并对填方路基区域网格进行加密，共划分5872个网格。公路改扩建路基有限元计算模型如图3所示。

根据工程实际对土层性质进行了简化处理，具体物理力学参数见表1。

表1 地基及路基填料物理力学参数

2.3 不同工况下新老路基不均匀沉降变化

(1)不同拓宽宽度的影响

山区公路改扩建公路新路基拓宽宽度分别选择1m、2.5m、4m、6m、10m，各拓宽宽度下新旧路基顶面沉降变化量的计算结果见图4。

由计算结果可知，随着公路路基拓宽宽度的增加，路基顶面的竖向位移不断增大，且新旧路基之间的不协调变形持续增大，这种现象表明：随着路基加宽宽度的增加，旧路基在新路基的边载作用下引起的附加应力也持续提高，使得老路基的沉降不断增大。但是当路基的拓宽宽度增大到某一临界值时，再增加路基的拓宽宽度对旧路基所产生的附加应力影响较小，即其引起的旧路基的沉降无明显变化。

路基拓宽宽度不同，路基顶面出现不协调变形最大值的位置也有差异，当公路路基的拓宽宽度1～6m范围内，不协调变形最大值出现在新路基边缘，当公路路基的加宽超过6m时，其最大值出现在新路基边缘内侧，这会使得公路拓宽部分路面产生反坡，容易出现雨水聚集，损害路面结构层，导致公路运营功能和寿命下降[7]。

(2)不同填方高度的影响

山区公路改扩建公路路基填方高度取8m、14m、20m、30m，不同填方高度下新旧路基沉降变形的计算结果见图5。

由计算结果可知，拓宽路基的沉降变形、不协调变形均随着公路路基填方高度的提高不断增大。出现这种现象的主要原因在于：山区公路路基填方高度增加，则新路基对旧路基产生的附加应力不断增大，使得旧路基的沉降变形也持续增加。此外，当路基填方高度相等时，距离道路中心线越远位移变化越明显，当监测点距离道路中心线小于1m时，路基顶面基本不出现不均匀沉降。

(3)新路基刚度模量变化的影响

山区公路改扩建拓宽路基刚度模量分别取5MPa、12MPa、30MPa、50MPa、70MPa、90MPa，不同刚度模量下拓宽路基的沉降变形计算结果如图6所示。

由计算结果可知，当监测点距离道路中心线小于1m时，新路基填料刚度模量的变化对路基顶面的沉降基本无影响；当监测点距离道路中心线大于1m时，路基顶面的沉降随着新路基填料刚度模量增大而降低，新旧路基间的不均匀变形有了明显的改善。但是当新路基填料刚度模量处于30～90MPa范围内，增加弹性模型对路基顶面沉降的影响较小，这说明增加新路基填料的刚度模量超过一个界限(30MPa)后，增加刚度模量对改善拓宽路基的不协调变形效果不理想。

3 山区公路新旧路基结合部位处治措施

在山区公路改扩建工程中，新旧路基结合处是其最薄弱的部分，如何提高新旧路基结合位置强度是山区公路改扩建路基拓宽的最重要技术之一。基于上文新旧路基不均匀沉降机理及变化特征，再参考国内外工程实例，提出山区公路改扩建工程中新旧路基结合处的处治措施划分为外部处治、内部处治和综合处治三类，具体处治措施见表2。

表2 新旧路基结合部位处治措施分类

4 结语

笔者利用软件PLAXIS8.0对山区公路改扩建工程中路基拓宽不均匀沉降的机理、变形规律及具体处治措施展开了详细的分析，主要得到了以下几个方面的结论：

(1)在山区公路改扩建工程中新路基一般以边载的形式作用于老路基的边坡上，新旧路基结合位置的中部是拓宽路基最薄弱的地方，会最先出现塑性破坏。

(2)随着公路路基拓宽宽度和填方高度的增加，路基顶面的竖向位移不断增大，且新旧路基之间的不协调变形持续增大，距离道路中心线越远位移变化越明显。路基顶面的沉降随着新路基填料刚度模量增大而降低，新旧路基间的不均匀变形有了明显的改善，但当刚度模量超过30MPa，增加刚度模量对改善拓宽路基的不协调变形效果不明显。

(3)山区公路改扩建工程中新旧路基结合部位处治措施划分为外部处治、内部处治和综合处治三大类。