软土地区新老路基无台阶拼接稳定性分析

王 伟

（昆山市交通运输局，江苏 昆山215300）

0 引言

近年来随着经济的快速发展，许多现有公路不能满足日益增长的交通需求，同时受国家18 亿亩耕地红线控制，新增用地审批手续愈发严格，因而利用老路来拓宽提级改造成为区域交通增容的主要手段之一。

路基沉降由瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分组成。在旧路建设时，路基的瞬时沉降就已经结束；在运营期间，在老路自重及其车辆荷载的长期作用下，软土地基中土颗粒骨架之间的水分逐渐排出，土颗粒骨架发生的蠕变也基本结束，也就是说，在拓宽建设时期，老路主固结沉降以及次固结沉降也已基本结束，地基已趋于稳定[1]。而对于拓宽路段，从建设到运营期间，初始沉降、固结沉降及其次固结沉降都将会继续发生；在运营期间将会继续发生主固结、次固结沉降，这也是新建拓宽段与旧路之间发生差异沉降的主要原因，随着施工时间间隔的增大，差异沉降也将越大，同时加上荷载的不均匀性，也使得新老路基的沉降变形特性存在较大的差异，最终导致结合部路面出现裂缝、破损、行车不舒适等现象[2]。

1 项目概况

224 省道昆山周市至常熟任阳段旧路路基宽18m，路面宽15.5m，拓宽后采用双向六车道主辅路标准，主路设计速度为100km/h，辅道设计速度为30km/h，老路肩开挖宽度为2.5m，双侧拓宽各12.75m，拓宽后总宽为41m（其中侧分带2×1.0m，辅道2×3.5m，非机动车道2×2.5m）。

项目线路上主要经过长江流域冲积平原区，整个线路地形较为平坦，土层主要为亚砂土、黏土、亚黏土及淤泥质亚黏土。研究标段软土路段为K0+000～K2+500、K4+600～K5+130，软基段长度为3.03km，占该标段总长度的58.7%。该标段软基主要分布在标段两头，软基分布于浅部，厚度大（19.7～23.7m），变化比较平缓；K4+600～K5+130软土厚度较小（小于10m）[3]。

项目工程地质条件复杂，沿线不良地质主要为软土，深厚且分布范围广，给新老路基拼接带来了不利影响，新拼接路堤边坡稳定性问题尤为突出，亟需研究并提出适合于224省道拓宽改造工程的各种拼接方法和技术措施，从而为224省道及其他类似的高等级公路拓宽改造工程提供科学和可靠的参考依据。

2 拓宽路堤的稳定性分析

路堤边坡失稳的原因有两种[4]：

（1）土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低，促使边坡失稳破坏；

（2）外界力的作用破坏了土体内原有的应力平衡状态。

旧路拓宽改造工程属于第二种情况，拓宽路堤相当于在旧路路堤两侧增加边载，原有的路堤和地基中的应力状态发生了改变，在地基强度不足或路堤压实度不够的情况下可能发生滑动破坏。为了更好地反映新老路基之间的相互作用，本文采用《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）推荐的毕肖普法（Bishop）来模拟拓宽路堤的整体稳定性。毕肖普法（Bishop）是在条分法的基础上加以若干改进，即假定边坡稳定是个平面应变问题，滑裂面是个圆柱面，计算中只考虑土条间的横向作用力，忽略竖向剪切力的作用，边坡稳定的安全系数Fs是滑裂面上全部抗滑力矩和滑动力矩之比[5]。

3 模型简介

路堤填土高度h=3.0m，地基土层深度H=15m。老路堤开挖后顶宽B＝15.5m（半幅为7.75m），拓宽路堤宽度b=12.75m。新拓宽路堤的边坡坡比均为1∶1.5，老路堤填土的强度参数为C1=30kPa、φ1=25°，新路堤填土强度参数为C2、φ2，路堤填土重度γ＝19kN/m3；地基强度参数为C3、φ3，地基土的重度γ＝18kN/m3。计算分析拓宽宽度变化、地下水位变化、新路堤填料和地基强度参数变化对拓宽后路堤整体稳定性的影响。区域地下水位一般在地表下1.0m。

4 稳定性评价

4.1 拓宽宽度的影响

新路堤参数C2＝15kPa、φ2＝20°；地基参数C3＝12kPa、φ3＝10°。图1 所示为Fs随拓宽宽度的变化情况，可以看出，随着拓宽宽度b的增加，路堤整体稳定安全系数减小。

图1 Fs随拓宽宽度变化

4.2 地下水位的影响

新路堤参数C2＝15kPa、φ2＝20°；地基参数C3＝12kPa、φ3＝10°。图2 所示为Fs随地下水位变化情况，可以看出，随着地下水位的降低，路堤整体稳定安全系数增大。

图2 Fs随地下水位变化

4.3 地基强度参数的影响

新路堤参数C2＝15kPa、φ2＝20°；地基参数C3、φ3可变。图3所示为Fs随地基强度参数的变化情况，可以看出，随着地基强度参数的增加，路堤整体稳定安全系数增大。

图3 Fs随地基强度参数变化

4.4 路基填料强度参数的影响

地基参数C3＝12kPa、φ3＝15°；新路堤参数C2、φ2可变。图4 所示为Fs随路基填料强度参数变化情况，可以看出，随着路基填料强度参数的增加，路堤整体稳定安全系数增大。

5 结论

拓宽路堤稳定性分析表明：

图4 Fs随路基填料强度参数变化

（1）随着地基参数和新路堤填料参数C、φ值的减小以及地下水位的升高，拓宽路堤的稳定安全系数减小；

（2）影响路堤C、φ值的主要因素是压实度和含水率，因此拓宽时要严格控制新路堤填料的压实度和设计完善的施工临时排水系统，保证拓宽路堤的整体稳定性；

（3）地基参数对拓宽路堤整体稳定性的影响大于拓宽路堤填料参数；

（4）随着拓宽宽度b的增加，拓宽路堤的稳定安全系数减小。

[1] 江苏省交通科学研究院.沪宁高速公路扩建工程路基拼接设计方法与施工工艺研究报告[R]. 南京：江苏省交通科学研究院，2004.

[2] 河海大学，江苏省交通基础技术工程研究中心.沪宁高速公路路基拓宽综合处理技术研究成果总结报告[R].南京：河海大学，2004.

[3] 朱士东.悬浮桩在高等级公路工程中的应用研究[J].现代交通技术，2012，4（1）：8-11.

[4] 周恒. 软土地基上高等级公路拓宽工程设计方法研究[D].南京：东南大学，2005．

[5] E Vos, J F Couvreur, M. Vermaut. Comparison of numeri⁃cal analysis with field data of a road widening project on peaty soil[R]. Proc. International Workshop: Advances in understanding and modeling the mechanical behavior of peat.Balkema,Rotterdam,1994.