高速公路拓宽工程中路基施工方案比选研究

胡 松

(广西桂龙高速公路有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

近年来，随着我国经济的高速发展，交通流量也越来越大，拓宽改造作为解决交通压力的有效方法之一，逐渐在高速公路改扩建工程中得到广泛应用，并且取得了良好效果[1-2]。但在早期扩建的路基工程中，由于设计者对拓宽方案的研究不足，导致新旧路基出现较大沉降差异和路面开裂等病害，因此，如何有效提升拓宽路基施工质量对于高速公路的发展具有重要意义[3-4]。

目前，国内外学者对高速公路改扩建工程展开了大量研究，如李刚等[5]依托长株高速公路改扩建工程，应用有限差分法建立了数值计算模型，研究了拓宽宽度、填方高度、弹性模量和压缩模量4种影响因素下新旧路基不均匀沉降的变化规律。张军等[6]以全风化花岗岩区软土地段的拓宽路基为研究对象，发现开挖台阶、铺设土工格栅以及对软土地基进行打桩加固处理能有效减小改扩建路基沉降且控制侧向变形和差异沉降。徐全亮等[7]为研究滨海软土地区公路拓宽新旧路基差异沉降及附加应力变化，建立了高速公路软土路基双侧拓宽计算模型，模拟分析了拓宽前后新旧路基差异沉降、水平位移及结构应力的变化规律。王晨竹[8]发现在工程实践中，通过采用路基填筑材料改良土体，能够在一定程度上有效控制拓宽路基的差异化沉降，而采用设置基底垫层来降低路基的差异化沉降并不能取得很好的效果。以上研究主要集中在高速公路扩建工程参数设计和差异沉降处治方面，而关于高速公路拓宽路基施工方面的研究还有待进一步深入。基于此，本文以某高速公路改扩建工程为例，提出了两种可行的拓宽路基施工方案，运用软件建立拓宽路基有限元模型，并对比分析了这两种施工方案的拓宽路基变形及受力变化规律。

1 工程概况

以某高速公路改扩建工程为例，该线路全长18.9 km，运营时间约6年，建设标准为双向四车道，设计速度为100 km/h，原路面设计宽度为26 m，路基坡度为1∶1.5。近年来，由于交通流量的大幅增长，以及重载车辆的快速发展，导致原路基结构和车道的设计标准已无法满足持续增长的通行需求，为解决这一问题，计划对该路段进行拓宽改造。拓宽后建设标准由双向四车道增至双向六车道，设计速度由100 km/h增至120 km/h，路面宽度由26 m增至34 m，路基高度为6 m，路基坡度保持不变。根据地质勘测结果显示，该路段路基地下水主要表现为潜水，深度在12～28 m，路基地质以亚黏土为主，土质表现较为均匀，厚度在6～12 m，部分路段存在弱湿陷性黄土，厚度在1.1～4.2 m。

2 施工方案设计

通过分析地形勘测结果，该高速公路拓宽工程可采用两种可行性方案。(1)方案1：路基单侧拓宽，对单侧路基顶部和底部同时拓宽8 m宽度；(2)方案2：路基双侧同时拓宽，对两侧路基顶部和底部同时拓宽4 m宽度。两种拓宽方案的路基填筑施工均采用分层填筑法，填筑分为5层，每层填筑高度为1.2 m，路基填筑施工过程中台阶开挖高度≤30 cm，宽度≥45 cm，在新旧路基结构部位铺设3层土工布，宽度≤4 m。两种路基拓宽施工方案示意图如图1所示。

图1 不同路基拓宽施工方案示意图

3 有限元模型

运用Midas Civil软件分别建立单侧拓宽和双侧拓宽路基有限元模型，模型中采用四边形单元对拓宽路基进行网格划分，新旧路基采用比较密集的网格进行处理，共包含372个单元和427个节点。拓宽路基模型网格划分如图2所示。

图2 拓宽路基计算模型图

为保证计算结果的精准性，模型计算高度取30 m，宽度取50 m，新旧路基结合处采用台阶咬合方式搭接。在计算过程中，路基土和地基土的模拟均采用摩尔-库仑理想弹塑性本构模型，假定土体均为理想弹塑性体，均匀分布且各向同性，路基与各结构界面接触状态为完全连续，新旧路基结合处不存在相对脱离和滑移现象，路基按照平面应变问题处理，旧路基采用排水固结法处理后已完全固结，不考虑温度对路基应力分布的作用，路面荷载等效为1 m厚的填土荷载，车辆荷载等效为10 kPa的静载。在分析过程中边界条件为：限制沿路基轴向的水平位移，底部边界进行水平向和竖向的位移约束，两侧边界采用竖向位移约束，上部界面为自由界面。模型中表层软土厚2 m，软黏土层厚8 m，基岩厚10 m。其土体计算参数如表1所示。

表1 土体物理计算参数表

4 结果与分析

为比较不同施工方案对拓宽路基变形及受力的影响规律，通过建立单侧拓宽和双侧拓宽路基分析模型，并针对不同填筑阶段拓宽路基的位移、沉降及应力变化规律进行对比分析。

4.1 水平位移分析

分别计算不同填筑阶段拓宽路基的水平位移值，得到两种施工方案的拓宽路基最大水平位移变化曲线如图3所示。

图3 不同施工方案的位移变化曲线图

根据图3可知，随着拓宽层数的增加，两种施工方案的拓宽路基最大水平位移值均呈不断增大趋势，其中采用单侧拓宽方案施工的拓宽路基水平位移整体要大于双侧拓宽方案，说明采用双侧拓宽方案的拓宽路基水平变形量相对较小。当路基填筑施工至3层时，两种施工方案的拓宽路基水平位移增长幅度基本一致，但路基填筑由3层施工至5层时，单侧拓宽方案的拓宽路基水平位移增长幅度明显要大于双侧拓宽方案。当路基填筑施工完成后，单侧拓宽方案的拓宽路基最终水平位移为5.2 mm，双侧拓宽方案的拓宽路基最终水平位移为4.1 mm，降低了约21.2%。综合来看，双侧拓宽方案对于控制拓宽路基的水平变形效果要明显优于单侧拓宽方案。

4.2 竖向沉降分析

分别计算不同填筑阶段拓宽路基的竖向沉降值，得到两种施工方案的拓宽路基最大沉降值变化曲线如图4所示。

图4 不同施工方案的沉降变化曲线图

根据图4可知，随着拓宽层数的增加，两种施工方案的拓宽路基最大竖向沉降值均呈不断增大的趋势，其中采用单侧拓宽方案施工的拓宽路基竖向沉降值整体要大于双侧拓宽方案，说明采用双侧拓宽方案的拓宽路基竖向沉降值相对较小。当路基填筑施工至3层时，两种施工方案的拓宽路基竖向沉降值增长幅度基本一致。但路基填筑由3层施工至5层时，单侧拓宽方案的拓宽路基竖向沉降值增长幅度明显要大于双侧拓宽方案。当路基填筑施工完成后，单侧拓宽方案的拓宽路基最终竖向沉降值为62.4 mm，双侧拓宽方案的拓宽路基最终竖向沉降值为53.8 mm，降低了约13.8%。综合来看，双侧拓宽方案对于控制拓宽路基不均匀沉降的效果要优于单侧拓宽方案。

4.3 竖向应力分析

分别计算不同填筑阶段拓宽路基的竖向应力值，得到两种施工方案的拓宽路基最大应力变化曲线如图5所示。

图5 不同施工方案的应力变化曲线图

根据图5可知，随着拓宽层数的增加，两种施工方案的拓宽路基最大竖向应力均呈缓慢增大趋势，但整体增长趋势不大，说明两种施工方案对于拓宽路基竖向应力的影响不大。当路基填筑由1层施工至5层时，单侧拓宽方案的拓宽路基最大竖向应力由151.53 kPa增至152.02 kPa，增幅仅为0.3%，而双侧拓宽方案的拓宽路基最大竖向应力由148.67 kPa增至149.01 kPa，增幅仅为0.2%，同时两种施工方案的拓宽路基最终竖向应力值相差不到2%。由此说明，两种施工方案对于拓宽路基竖向应力的影响非常小，基本可忽略不计。

4.4 剪应力分析

分别计算不同填筑阶段拓宽路基的剪应力值，得到两种施工方案的拓宽路基最大剪应力变化曲线如图6所示。

根据图6可知，采用两种施工方案的拓宽路基最大剪应力均随着拓宽层数的增加而不断增大，其中采用单侧拓宽方案施工的拓宽路基最大剪应力整体要大于双侧拓宽方案，说明采用双侧拓宽方案的拓宽路基剪应力相对较小。当路基填筑施工至3层时，两种施工方案的拓宽路基剪应力增长幅度基本一致；但路基填筑由3层施工至5层时，单侧拓宽方案的拓宽路基剪应力增长幅度明显要大于双侧拓宽方案。当路基填筑施工完成后，单侧拓宽方案的拓宽路基最终剪应力为56.33 kPa，双侧拓宽方案的拓宽路基最终剪应力为46.21 kPa，降低了约17.9%。由此可知，采用双侧拓宽方案可有效降低拓宽路基的剪应力，防止边坡滑塌等病害的出现。

图6 不同施工方案的剪应力变化曲线图

5 结语

(1)采用单侧拓宽方案施工的拓宽路基水平位移整体要大于双侧拓宽方案。路基填筑施工完成后，双侧拓宽方案的拓宽路基最终水平位移要比单侧拓宽方案小了约21.2%，说明双侧拓宽方案可有效控制拓宽路基的水平变形。

(2)路基填筑施工完成后，双侧拓宽方案的拓宽路基最终竖向沉降值要比单侧拓宽方案的小13.8%，且施工过程中双侧拓宽方案的拓宽路基整体沉降较小，说明双侧拓宽方案可有效控制拓宽路基的不均匀沉降。

(3)随着拓宽层数的增加，两种施工方案的拓宽路基最大竖向应力均呈缓慢增大趋势，但整体增长趋势不大，说明两种施工方案对于拓宽路基竖向应力的影响不大。

(4)采用单侧拓宽方案施工的拓宽路基最大剪应力整体上要大于双侧拓宽方案。路基填筑施工完成后，单侧拓宽方案的拓宽路基最终剪应力要比双侧拓宽方案的拓宽路基大17.9%，说明采用双侧拓宽方案可有效降低拓宽路基的剪应力。