高速公路路基拓宽不均匀沉降数值分析

郑亚萌

（中咨华科交通建设技术有限公司,北京 100195）

0 引言

高速公路的改造随着交通运输需求的增加，变得越来越受重视。在实际工程中，由于交通负荷和承载能力的不平衡，对于现有高速公路的改造往往需要进行路基拓宽。然而，路基拓宽可能会引起不均匀沉降问题，给道路使用和维护带来一系列的挑战。路基沉降是路面或路基在使用过程中发生下沉的现象，不均匀沉降是指沉降过程中出现的空间分布不均匀，即不同路段或不同位置的沉降程度不同。这种不均匀沉降会导致路面出现凹陷、裂缝等问题，对行车安全和道路使用寿命产生严重影响。贾宝新[1]基于有限差分原理建立三维有限元数值计算模型对公路改扩建导致新老路基之间差异沉降的因素进行了探讨。研究发现新路基土的弹性模量对沉降影响较小，在实际工程中新路基土的弹性模量通常较高，具有较好的回弹性能，可以一定程度上抵消荷载引起的沉降。刘彬[2]通过数值模拟的方式，研究立体改扩建道路桥墩与高填方路基交叉影响。研究结果显示，拓宽路基最大沉降发生在荷载形心处，通过地基处治可以减少拓宽路基差异沉降和立体层桥墩位移。

数值分析方法广泛应用于工程实践中，用以解决高速公路路基拓宽不均匀沉降的问题。通过建立数学模型和采用有限元等数值方法，可以模拟和分析拓宽后路基的力学行为，预测沉降的分布和程度。数值分析方法可以考虑复杂的土体和路基结构特性，同时可以模拟各种荷载条件下的变形和应力分布，通过合理选择数值方法和参数，模型验证与实测数据或其他已有可信数据进行对比，提高检验模型的适用性和准确度。李骏[3]基于山东省内黄泛平原高速公路路基拓宽背景，提出了一种名为分部拓宽法的黄泛区路基拓宽理论。该理论采用分部填筑法和智慧型土工合成材料与北斗系统相结合的方法，实现了对路基变形的内外联合监测，并通过轻质神经网络工具建立了拓宽路基的变形预测方法，而分部拓宽理论可以提升高速公路改扩建的技术水平，节约经济成本，并为道路病害的处置和预防提供科学决策支撑。肖杰[4]以复合地基沉降影响因素分析为基础，提出了一种优化的复合地基设计方案，并利用有限元分析软件对不同桩端持力层刚度条件下的复合地基处治效果进行了分析。研究结果表明，优化设计方案能够有效控制地表和路基的沉降，并降低新旧路基之间的差异沉降。付建军[5]为了应对堤防路基改扩建工程中的实际问题，采用离散元模型模拟研究在不同的加载位置下新老路基拼接处的不均匀沉降情况。研究结果表明，该离散元模型能够有效模拟实际情况下新老路基拼接处的沉降问题。

该文旨在通过数值分析研究高速公路路基拓宽引起的不均匀沉降问题。通过该研究，可以为高速公路改造工程提供科学依据和技术指导，准确预测不均匀沉降的程度和分布，有助于合理规划工程设计和施工措施，降低沉降引起的不良影响，保障路基的稳定性和道路的安全性，为相关领域的工程实践和学术研究提供有益的参考。

1 高速公路路基拓宽路基沉降机理

路基沉降是土体固结行为的表现。土体的力学行为可以使用固－液－气三相模型来描述，其中固结是指土体中气相空间不断减少，固相成分逐渐致密，而液相逐步从土体中排出的过程。固结沉降可分为三类：瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降。瞬时沉降是指荷载施加之初，土体在极短时间内迅速向四周位移，高度减小，此时土体尚未释放孔隙水压力；主固结沉降发生在时间累积和荷载不断提高的过程中，大部分孔隙水压力得以释放，土体被压缩而变形；次固结沉降发生在荷载施加完毕后，土颗粒间的接触出现错动和轻微调整，孔隙水压力继续释放，土体发生蠕变变形。

在高速公路改扩建过程中，新老路基的沉降过程在时空上不同，导致了两者间的差异沉降。对于老路基来说，经过多年服役，其主要沉降阶段已结束。在改扩建活动介入后，新路基的建设给了老路基附加应力，导致老路基发生一定程度的压缩固结。改扩建工程完毕后，老路基再次投入使用，交通荷载的循环积累以及与新路基的拼接导致老路基第三阶段沉降的出现，而对于新路基来说，在填筑建设中土体基本达到致密，完成了新路基第一阶段的沉降。改扩建工程完毕后，新路基投入使用，承受交通荷载的循环积累和自身的蠕变变形，导致新路基第二阶段沉降的发生。

2 工程概况及计算模型建立

2.1 工程概况

某高速公路扩建工程地下水平均埋深约为3 m，基岩深度较大，土层组合多样且复杂，包括砂土、黏土、粉土等。该扩建工程路线全长约142.69 km，原路基标准横断面宽24 m。在对原有道路进行加宽处理时，采取了开挖台阶的方式拼接新老路基，加宽后路基边坡坡率为1 ∶1.5。根据测量结果，绘制出老路基施工前沉降变形情况，如图1 所示，可以看出老路基的沉降量非常小，仅为0.026 mm，这一测量结果表明，在此段时间内老路基的沉降情况相对较稳定，没有明显的变化，说明老路基的承载能力良好，并且满足当前的交通和荷载条件下的需求。

图1 老路基施工前沉降变形

2.2 有限元模型建立

有限元计算在公路拓宽工程差异沉降分析中是一种常见的方法，可以预测和评估土体沉降情况。然而，在进行分析时存在一些难题。一方面土体的本构关系可能非常复杂，不同区域甚至不同层次的土体表现出不同的力学行为。准确地描述土体的本构关系对于有限元模型的建立至关重要，但缺乏大量的试验数据可能导致模型的不确定性，从而影响计算结果的准确性。另一方面，土体和结构之间的接触面会发生变化，并且受到边界条件等复杂因素的影响。准确建立接触面参数和处理复杂的边界条件是保证有限元计算结果准确性的关键。因此，为了提高准确性，可以利用试验数据或现场实测数据进行反分析，进一步验证和修正计算模型和参数，以确保分析结果的可靠性。使用ABAQUS 进行数值模拟，可以全面评估高速公路路基拓宽不同宽度的承载能力、变形特性和稳定性，通过模拟不同宽度下的路基，可以获取相关的参数，例如沉降量和变形情况等，可以更全面地评估工程的可行性和安全性。如图2 所示，给出了该文的计算模型简图。

图2 计算模型简图

为了方便计算，在建立有限元分析模型时，一般会进行一些假设和简化，以简化问题并提高计算效率。以下是该文假设和简化情况：

平面假设：假设路基沿着道路纵向无限延伸，把问题简化为二维平面问题；

土体性质假设：将路基视为各向同性的、具有弹性的理想构造物；

荷载假设：假设路面各层的荷载等效于1 m 的填土，设置重力荷载，以便于分析路基沉降关系。

边界条件假设：地基底面受水平和垂直方向的约束，但仅在地基左右两侧的水平方向上受约束。地表假设是可渗透的边界，其余部分是不可渗透的边界。这样的边界条件假设可以简化模型，并使计算更容易进行。

2.3 计算参数选取

根据工程路段地勘报告和土工试验报告，确定了拓宽路段地基土主要为粉质黏土。根据表1 中的材料参数取值，可以精确地定义所选模型的特性。

表1 道路结构层材料参数取值

3 计算结果分析

3.1 不同拓宽宽度对路基沉降量的影响

如图3 所示，给出了不同拓宽宽度路基沉降曲线变化图，可以观察到沉降变化曲线的变化规律呈“勺”型，且随着路基拓宽宽度的增加，这种勺形特征将更加明显。通过观察曲线趋势可以发现，竖向位移沉降量与路基距离老路基中心线的距离呈正线性关系，且这种关系呈单调递增，与老路基中心线距离越远，路基的竖向位移沉降量就越大。当距离老路基中心线的达到20 m 时，在新路基的路肩位置会出现最大的沉降值。这些结果的取得，对设计、评估路基工程纵向变形和沉降都具有十分重要的意义。

图3 不同拓宽宽度路基沉降曲线变化图

3.2 不同拓宽宽度对路基最大差异沉降影响

根据图4 所示的不同拓宽宽度路基最大差异沉降曲线变化图，可以观察到新老路基的最大差异沉降与加宽宽度近乎呈线性关系。随着路基拓宽宽度的增加，最大的差异沉降也逐渐增大。当路基总加宽以10 m、12 m、14 m和16 m 加宽时，对应的最大差异沉降分别为3.97 cm、4.91 cm、6.06 cm 和7.78 cm。加宽16 m 的路基与加宽10 m 的路基相比，最大差幅增加了49.3%。

图4 不同拓宽宽度路基最大差异沉降曲线变化图

在路基加宽宽度增加时，路基顶面的沉降变形显著增大。当加宽宽度到16 m 时，导致不均匀沉降量到达最大值，因此在进行高速公路路基加宽时，应采取严格的沉降控制技术，确保土体的压实度和路基稳定性，以保证道路平整度和使用寿命。

4 结语

该文通过数值分析方法对高速公路路基拓宽不均匀沉降问题进行研究，并得出以下结论：

（1）路基拓宽宽度增加，沉降曲线显著呈“勺”型变化，竖向位移沉降量与距离老路中心线的距离正相关，离中心线越远，竖直位移越大，最大沉降可能出现在新路基的路肩位置。

（2）新老路基的最大差异沉降与路基加宽宽度呈线性关系。相对于路基加宽10 m，加宽16 m 的最大差异沉降增加了49.3%。在路基设计中需充分考虑路基加宽宽度对差异沉降的影响，合理选择路基加宽宽度，采取严格的沉降控制技术，以确保路基的稳定性和安全性。