国道拓宽路基不均匀沉降及敏感性分析

李德臣

摘要 公路拓宽工程极易出现路基不均匀沉降现象，影响道路行车安全。文章依托某工程实例，通过数值模拟手段分析了拓宽路基的变形规律和主要影响因素。结果表明：旧路基中心线位置存在较为明显的隆起变形，随着距离道路中心距离的增加，路基顶面变形逐渐由隆起变形向沉降变形过渡，曲线呈“勺状”。路基顶面沉降与路基填筑高度和拓宽宽度呈现正相关关系，且新、旧路基交界处曲线斜率增幅最为显著。路基弹性模量并非引起路基顶面沉降现场的主要影响因素。地基压缩模量对路基顶面沉降影响最为显著，地基压缩模量越高，拓宽路基顶面沉降变形越小。在实际工程中，应考虑拓宽路基的地基部分以压缩模量参数，做好现场勘测并根据实际情况采取必要的地基处理措施。

关键词 公路拓宽；路基沉降；数值模拟；有限元方法

中图分类号 U416文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0084-03

0 引言

随着我国基建行业的发展和交通运输行业的需要，公路拓宽工程要求越来越高，而由于拓宽后新、旧路基的差异，拓宽后的路基极易发生不均匀沉降，影响道路安全和正常运营，为此许多研究人员进行了一系列研究。

张素霞[1]依托山西晋中高速公路扩建工程，通过有限元方法对拓宽路基变形规律进行了研究，分析了拓宽路基稳定后的路面结构变形特性。段丹军和杨烜宇[2]开展了离心模型试验，考虑了降雨的影响，研究了典型黄土路基拓宽后在降雨作用下的变形情况。李丽华等[3]通过土工合成材料对高速公路拓宽路基进行了加固，并考虑了动力荷载的作用，采用数值模拟手段研究了高速公路加筋拓宽路基的动力响应规律和变形特性。叶观宝等[4]通过开展离心模型试验对比研究了不同拓宽方式下软土路基内力分布和变形规律的差异，并通过Boussinesq公式计算了拓宽路堤引起的地基附加应力。祝建华等[5]采用了钢丝网对拓宽路基新旧路基结合处进行了加筋，通过数值模拟手段对比了多个加筋方案下拓宽路基的差异沉降和力学响应规律。许正璇[6]依托某穿越盐渍土区公路的线路路基拓宽建设工程，探讨了盐渍土区公路路基拓宽溶陷变形控制关键技术，并根据高地下水位盐渍土区的防溶陷需求给出了线路阻水措施。

在该文中，依托某工程实例，通过有限元数值软件建立了公路拓宽路基仿真模型，分析了拓宽路基宽度、填筑高度、路基弹性模量和地基压缩模量等因素对路基变形的影响。该文的研究成果可为相似公路拓宽工程提供一定的指导和借鉴作用。

1 工程概况

该文依托某国道拓宽工程，该工程原路基宽度为25 m，设计车道为4车道，拓宽路基宽度为8 m，拓宽后为6车道，路基高度为6 m，坡度1∶1.5，采用台阶法对新路基施工。如表1所示，给出了该项目土层物理力学参数。为探讨拓宽路基沉降变形的主要影响因素，对该国道拓宽路基项目进行了有限元计算分析。

2 拓宽路基数值模型

2.1 模型参数

根据工程实际情况，采用有限元数值软件建立了拓宽路基仿真模型，模型尺寸设为60 m×15 m×30 m（长×宽×高），原有路基宽度设为25 m，拓宽路基宽度设为8 m，路基高度设为6 m，坡度设为1∶1.5。计算参数均参照表1进行取值，具体采用摩尔—库伦模型模拟。

边界条件方面，根据工程实际情况与相关模拟研究，模型底部设为固定边界条件，四周设为法向约束条件，顶部和坡面设为自由约束条件。在进行网格划分时，考虑计算效率，为确保计算结果的精确性，对新、旧路基交界面位置处进行了局部的网格加密处理，共划分出312 845个10节点有限元网格，该拓宽路基模型的有限元网格划分情况如图1所示。

2.2 交通荷载

依据现行的公路规范，单轴—双轮组合荷载取100 kN，轮压取0.7 MPa，静力等效荷载通过式（1）进行计算：

式中，p1——施加于路面的外部荷载；p2——施加于路基顶部的荷载；d1——路面顶部等效当量圆的半径，根据工程实际情况，该文取0.22 m；d2——路基顶部等效当量圆的半径，该文取1.35 m。经计算，该文计算采用的路基顶部等效交通荷载p2为16.5 kPa。

3 参数敏感性分析

3.1 拓宽宽度

为研究拓宽宽度对路基顶面沉降变形的影响，以2 m为步长，对6～12 m路基拓宽宽度工况下的路基顶面沉降变形分别进行了模拟计算。如图2所示，展示了路基不同拓宽宽度工况下路基顶面的沉降曲线。

从图2可以看出，旧路基中心线位置路基顶面出现了较为明显的隆起变形，且该隆起变形数值与路基拓宽宽度呈现正相关关系，路基拓宽宽度越大，旧路基隆起变形越明显。随着距离道路中心距离的增加，路基顶面变形逐渐由隆起变形向沉降变形过渡，随着“距离”增加，沉降变形呈现单调上升规律，直到接近边缘位置出现较小幅度的回落，曲線呈“勺状”。拓宽6 m工况下，路基沉降变形峰值为6.2 cm；拓宽8 m工况下，路基沉降变形峰值为8.3 cm；拓宽10 m工况下，路基沉降变形峰值为10.1 cm；拓宽12 m工况下，路基沉降变形峰值为11.8 cm。由此可见，拓宽路基宽度越大，路基沉降变形越显著，在实际工程中，可采用双侧拓宽的方式或其他措施进行应对。

3.2 路基高度

为研究路基填筑高度对路基顶面沉降变形的影响，以2 m为步长，对4～10 m路基填筑高度工况下的路基顶面沉降变形分别进行了模拟计算。如图3所示，展示了路基不同填筑高度工况下路基顶面的沉降曲线。

从图3可以看出，路基填筑高度4 m和6 m工况下旧路基顶面出现了隆起变形。沉降变形方面，路基顶面沉降与路基填筑高度呈现正相关关系，路基填筑高度越大，路基顶面沉降变形越明显。路基顶面沉降随与旧路基中心线的距离增加而单调增大，但增加速率呈现先增后减的变化规律，在新、旧路基交界处曲线斜率增幅最为显著，因此，在实际工程中，应着重考虑该位置处的加固。

3.3 路基弹性模量

为研究路基弹性模量对路基顶面沉降变形的影响，以5 MPa为步长，对30～50 MPa路基弹性模量工况下的路基顶面沉降变形分别进行了模拟计算。如图4所示，展示了路基不同弹性模量工况下路基顶面的沉降曲线。

从图4可以看出，路基弹性模量对路基顶面沉降影响并不明显，各工况主要差异体现在路肩位置处，且各工况沉降随道路中心线距离的变化规律一致。路基弹性模量与顶面沉降呈现负相关关系，路基弹性模量越高，路基顶面沉降越小。整体而言，路基弹性模量并非引起路基顶面沉降现场的主要影响因素，虽然增加路基弹性模量能降低沉降变形和差异沉降，但效果不是很明显。在实际工程中，可根据实际情况在合理的经济范围内，采用提高压实度的方式提高路基弹性模量，以改善路基沉降变形。

3.4 地基压缩模量

为研究地基压缩模量对路基顶面沉降变形的影响，以2 MPa为步长，对4～12 MPa地基压缩模量工况下的路基顶面沉降变形分别进行了模拟计算。如图5所示，展示了地基不同压缩模量工况下路基顶面的沉降曲线。

从图5可以看出，相对于路基弹性模量，地基压缩模量对路基顶面沉降影响更为显著。对比各工况发现，地基压缩模量越高，拓宽路基顶面沉降变形越小，两者为负相关关系。地基弹性模量为4 MPa工况下，路基顶面沉降变形峰值为11.6 cm，最大差异沉降为12.3 cm；地基弹性模量为12 MPa工况下，路基顶面沉降峰值为6.5 cm，最大差异沉降为7.1 cm，相较于前者，沉降值降低了43.96%，差异沉降降低了42.28%，可见效果极为明显。因此，在实际路基拓宽工程中，应考虑拓宽路基的地基部分压缩模量参数，做好现场勘测并根据实际情况采取必要的地基处理措施。

4 结论

为研究公路拓宽路基沉降变形规律与影响因素，该文依托某公路拓宽工程，通过有限元数值软件建立了公路拓宽路基仿真模型。基于此，分析了拓宽路基宽度、填筑高度、路基弹性模量和地基压缩模量等因素对路基顶面沉降的影响。得出主要结论如下：

（1）旧路基中心线位置存在较为明显的隆起变形，隆起变形与路基拓宽宽度呈现正相关关系。随着距离道路中心距离的增加，路基顶面变形逐渐由隆起变形向沉降变形过渡，直到接近边缘位置出现较小幅度的回落，曲线呈“勺状”。

（2）路基顶面沉降与路基填筑高度和拓宽宽度呈现正相关关系，且新、旧路基交界处曲线斜率增幅最为显著。实际工程中，可考虑采用双侧拓宽和结合面加固等方式进行改善。

（3）路基弹性模量并非引起路基顶面沉降现场的主要影响因素，虽然增加路基弹性模量能降低沉降变形和差异沉降，但效果并不明显。可根据实际情况，在合理的经济范围内采用提高压实度的方式提高路基弹性模量，以改善路基沉降变形。

（4）相对于路基弹性模量，地基压缩模量对路基顶面沉降影响更为显著，地基压缩模量越高，拓宽路基顶面沉降变形越小，地基压缩模量为12 MPa工况较4 MPa工况沉降峰值降低了43.96%，最大差异沉降降低了42.28%。

参考文献

[1]张素霞. 高速公路路基拓宽变形规律及对路面结构影响分析[J]. 山东交通科技， 2022（6）： 120-123.

[2]段丹军， 杨烜宇. 降雨入渗对黄土拓宽路基变形影响的离心模型试验[J]. 交通科学与工程， 2023（4）： 17-23+46.

[3]李麗华， 康浩然， 郑志刚， 等. 移动荷载作用下既有高速铁路路基拓宽计算分析[J]. 科学技术与工程， 2023（5）： 2131-2139.

[4]叶观宝， 葛敬文， 许言， 等. 拓宽方式对软土路基工程特性影响的离心模型试验[J]. 水文地质工程地质， 2022（3）： 112-117.

[5]祝建华， 吕茂丰， 查旭东， 等. 钢丝网加筋新老路面结合部抗拓宽路基差异沉降的数值模拟[J]. 长沙理工大学学报（自然科学版）， 2021（4）： 1-8.

[6]许正璇. 青海省盐渍土区公路路基拓宽溶陷变形控制关键技术研究[J]. 公路工程， 2022（4）： 117-123.