新旧路基不均匀沉降分析与控制技术研究

王磊

摘要 为了提升公路拼宽路基的建设水平，文章总结了新旧路基不均匀沉降的病害机理，并依托某国道项目，利用ABAQUS软件建立计算模型，分析了新旧路基沉降变化规律。同时，从边坡削坡、台阶开挖、铺土工格栅、加强排水、地基处理、路基填料和压实度控制等方面探讨了新旧路基不均匀沉降的控制措施，研究成果可为公路拼宽设计提供理论指导。

关键词 路基拼宽；不均匀沉降；ABAQUS软件；变形规律；控制技术

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0147-03

0 引言

随着我国经济发展，交通量逐年增加，原有的公路因交通规划、投资金额、设计思路、施工技术等方面的限制，已经难以满足交通需求，造成交通拥堵，加大了交通运输成本，导致交通事故频繁。如何提高公路通行能力和服务水平，已经成为公路各参建单位需要解决的重要问题。新建公路会遇到占地面积大、征地拆迁困难、工程造价高等问题，且新建公路对平、纵线形指标要求高，故建议改用改扩建的方案来提高公路的通行能力和服务水平。改扩建公路的设计难度大，施工工艺复杂，如果对新旧路基间不均匀沉降控制不当，容易导致路面裂缝、边坡失稳等病害，影响行车安全性和舒适度[1]。因此，进一步研究新旧路基不均匀沉降变化规律及相应的控制技术具有重要的工程意义。

1 新旧路基不均匀沉降病害机理分析

1.1 不均匀沉降引起的病害

大量工程实践表明，新旧路基不均匀沉降所引起的病害有两种形式：加宽路基失稳、路面损坏[2]。

（1）加宽路基失稳。新旧路基衔接位置较薄弱，尤其是软弱地基、高填方、陡坡（地面坡率陡于1∶2.5）等路段容易出现路基整体坍塌。滑移量大小不同，造成的后果也不同。公路运营初期，边坡滑动不明显，表现为路面纵向裂缝增加。在连续降雨条件下，边坡表面出现溜塌、侵蚀剥落等病害。同时，地表径流会沿着路表裂缝渗入路基内部，降低路基填土的强度，最终导致路基整体坍塌。

（2）路面损坏。新旧路基间的不均匀沉降，会对路面结构层的受力产生不利影响。水泥路面常见的病害是脱空和唧泥，严重的会发展成板块断裂；沥青路面常见的病害是新旧路基结合处产生纵向裂缝。

1.2 不均匀沉降机理

在公路改扩建项目中，路基沉降包括旧路堤沉降、旧地基沉降、新路堤沉降、新地基变形四部分，见图1。经过长期运营，旧路堤与其下地基可认为固结基本完成，在自身填土重力作用下不会继续沉降。当路基经单侧或双侧拼宽后，会在新地基和旧地基中均产生附加应力。由于新地基尚未固结，其变形能力远大于旧地基，从而导致新旧地基之间产生沉降差。

拼宽路基在横断面上的填土高度、填料性质、路堤压实度不同也会导致不均匀沉降。比如斜坡路段一侧高一侧低，填土自重应力不同，其所引起的路堤压缩和地基固结变形有较大差异，且填土高度相差越大，新旧路基的不均匀沉降越明显[3]。

2 新旧路基不均匀沉降变化规律

随着计算机技术的进步，越来越多的公路工程开始应用数值计算软件。为了研究新旧路基沉降变化规律，利用有限元软件ABAQUS建立计算模型，分析了公路拼宽后各监测点的沉降变化规律。

2.1 工程概况

研究对象为国道，其设计标准为一级公路、双向四车道，路线全长36.8 km，起讫桩号为K0+000～K36+800，设计速度100 km/h，设计荷载为公路I级，路基宽27 m，路面为沥青路面，厚68 cm。经过多年运营，沥青路面出现各种裂缝、车辙、坑槽等病害，影响行车舒适性和安全性。同时，交通量逐渐增加，公路服务水平下降，频繁出现交通拥堵或交通事故。因此，拟对该公路进行改扩建，拼宽方式采用双侧拼宽，左、右两侧各拼宽一个车道，即“四改六”。

项目所在区域地势较平坦，由施工图勘察资料可知，地基土从上到下分别是粉土、粉砂、粉质黏土，不同土体的计算参数取值见表1：

2.2 计算模型建立

新旧路基不均匀沉降计算断面取K12+800，路堤中心填高6.0 m，左、右两侧边坡坡率取1∶1.5，在利用ABAQUS软件计算路基沉降时，将其视为平面应变问题，路面及车辆荷载简化为1 m厚的填土，且不考虑施工工序对路基沉降的影响。ABAQUS软件建立新旧路基模型的主要步骤如下[4]：导入CAD图纸→输入路基填土和地基土的计算参数→初始地应力→定义荷载→定义边界条件→模型网格划分→路基沉降计算→导出计算结果。

（1）初始地应力。初始地应力场会直接影响岩土体的力学性能，在计算新旧路基不均匀沉降时，要保证初始地应力场的准确性。目前，初始地应力有两种方法：一是弹性求解法，即将材料本构模型设置为弹性模型，将体积模量与剪切模量设置为大值；二是弹塑性求解法。求解过程中采用塑性模型，但为避免材料局部区域在计算期间出现屈服，需将黏聚力和抗拉强度设为大值。达到极限平衡状态后，再将两者改为正常计算参数。

（2）边界条件。路基模型的底部同时约束x、y、z三个方向的位移；左、右两侧约束x方向的位移；路基顶面和边坡坡面为自由边界。同时，地下水埋深较大，不考虑其对计算結果的影响。

（3）网格划分。综合考虑新旧路基沉降的计算效率和精确度，路堤及地基土网格划分均采用六面体单元（C3D8RP单元），拼宽部分网格尺寸适当加密，取0.5 m，其他部位网格尺寸取2.0 m，共划分了2 636个单元，3 025个节点，如图2所示。

（4）加载模拟。根据《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019），拼宽路基应在开挖台阶后分层填筑。为了模拟这一现象，需要分层建立路堤部分模型，先将所有单元“杀死”，再结合施工时间逐层“激活”。

2.3 不均匀沉降计算结果

以路基中心点为基准，每隔一定距离设置一个监测点，利用ABAQUS软件导出不同监测点的沉降量，如图3所示：

图3计算结果表明：公路拼宽后，路基顶面的沉降分布呈“勺”型。当距离道路中心长度≤18 m时，路基顶面的沉降不断增大；当距离道路中心长度超过18 m，路基顶面的沉降由减小趋势。新旧路基的最大不均匀沉降出现在拼宽路基的中心点下，约6.68 cm。主要原因在于：拼宽路基中心点处的附加应力最大，且距离拼宽路基中心点越远，附加应力越小。

3 新旧路基不均匀沉降控制技术

目前，对于新旧路基不均匀沉降的控制并无统一的标准，规范中也没有明确规定。结合相关研究成果，文章建议以新旧路基最大差异沉降≤4 cm作为控制标准。为了达到这一目标，可从新旧路基结合部处理、地基加固、路基填料和压实度控制两方面着手[5]。

3.1 新旧路基结合部处理技术

（1）边坡削坡。公路在拼宽之前，要先将旧路边坡坡面的杂草、腐殖物、未压实松土等清理干净。边坡削坡深度不宜过大或过小，控制在30～50 cm即可。

（2）台阶开挖。新旧路基拼接通过开挖台阶来增加两者之间的接触面积，提高拼接路基的稳定性。旧路边坡所开挖的台阶有3种：标准式台阶、内倾式台阶、竖倾式台阶。其中标准式台阶开挖较简单，只要台阶高度和宽度确定后就可以施工（台阶宽度≥1 m，台阶高度在0.6～1 m）；内倾式台阶是以标准式台阶为基础，向内倾斜2%～4%的坡度，以增大新旧路基的接触面积，提高其整齐稳定性，是新旧路基拼宽时最常用的台阶开挖方式；外倾式台阶是向路基中心倾斜一定的角度，有利于台阶上土体的填筑和压实，但会增加土工格栅锚固长度，提高工程造价。综上，建议新旧路基拼接时优先采用内倾式台阶。

台阶开挖不当容易出现坍塌，从而影响路基稳定性。新旧路基结合部的台阶开挖应注意以下两点：①如果旧路基含水量高，边坡削坡后不能立即开挖边坡，应先经晾晒或用灰土处理；②旧路路基边坡的削坡顺序宜 “自上而下”。如果拟拼接的边坡坡率较陡，削坡要分阶段施工，且前一阶段的削坡坡度要大于后一阶段，以保证路基边坡在削坡期间的稳定性。

（3）铺土工格栅。土工格栅是新旧路基拼接时最常用的一种材料，其主要作用是协调新旧路基间的差异沉降。土工格栅是在高密度聚乙烯或聚丙烯板材上冲孔而成，孔格形式为圆形或方形，尺寸为10～100 mm。土工格栅具有强度高、延伸率低，能将新旧路基连接成一个整体。同时，土工格栅位于土体内部，能约束土体的变形，提高其抗剪强度。同时，土工格室在公路改扩建项目中的应用也日益广泛。土工格室是将高密度聚乙烯条带（宽100 mm、厚1.2 mm）按固定距离焊接成三维网格结构。相对于土工格栅，土工格室的刚度更大，承载能力、防滑、抗变形能力更强。

（4）加强排水。由《公路排水设计规范》（JTGT D33—2012）可知：年降水量大于600 mm的湿润多雨地区，需设置路面内部排水系统，以排出渗入路面结构层的雨水。因此，建议公路拼宽完成后，在旧路面边缘处布置一道排水碎石盲沟，以汇集下渗到旧路面的雨水，并利用横向出水管将雨水排出到路基范围以外。同时，在新建路面内部设置排水垫层。排水垫层需同时具备透水和反滤功能，可采用碎石、砂砾等升级配材料。

3.2 地基处理技术

（1）一般地基处理。拼宽路基前先清表20～30 cm，并填土压实。为保证基底压实度，可采用冲击压路机进行冲击碾压，压实范围在坡脚外3 m。如果拼宽路基周边存在对冲击碾压震动比较敏感的管线、构造物等，可用高速液压夯压实，并开挖减震沟。

（2）软弱土地基处理。如果公路拼宽项目中遇到淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等软弱土，要对其进行处理。软弱土地基处理要综合考虑软土厚度、路堤填土高度、新旧路基差异沉降、施工技术、施工工期等因素，并对处理方案开展技术和经济比选。对于软土厚度＜3 m的路段，一般使用换填法，即天然地基分布的软弱土挖出，换填强度高、水稳定性好的材料，并分层压实；对于深厚软土路基，可采用水泥搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、预应力混凝土管桩等与天然地基组成复合地基。对于施工工期紧张、软土性质差的路段，可采用多种处治措施综合处理。

3.3 路基填料和压实度控制

大量工程实践表明，新路基填料宜与老路基填料的物理力学性能相近。以高速公路为例，其路基各结构层的压实度应满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），见表2[6]。如果路基填土较高，可在正常压实的基础上再分层补压，补压后的压实度宜比规范值提高1%～2%。

4 結论

该文新旧路基不均匀沉降的病害机理、变化规律及相应的控制技术，得到了以下结论：

（1）新旧路基不均匀沉降易导致路基失稳、路面损坏等病害，主要是因为新旧地基固结度、填土高度、填料性质、路堤压实度等不同。

（2）新旧路基不均匀沉降的最大值大致出现在拼宽路基中心点处，距离该位置越远，路基沉降越小。

（3）新旧路基结合部处理建立开挖内倾式台阶，铺土工格栅或土工格室，并加强排水。

（4）对于软土路段的路基，要根据项目实际情况选择换填、水泥搅拌桩、CFG桩、管桩等处治措施，同时控制好路基填料质量和压实度。

参考文献

[1]徐文中. 山区公路高填方路基不均匀沉降及防治措施分析[J]. 交通世界， 2022（35）： 109-111.

[2]杨文超， 李果. 新旧路基不均匀沉降分析与控制技术研究[J]. 中国设备工程， 2021（22）： 251-253.

[3]张楠. G110旧路改扩建路基不均匀沉降对路面结构力学性能影响研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2021.

[4]吕双全. 新旧路基不均匀沉降分析与控制技术研究[J]. 山东交通科技， 2019（2）： 63-65.

[5]徐威， 严秋荣. 基于有限元分析的新旧路基结合处不均匀沉降加筋防治技术应用研究[J]. 公路交通技术， 2017（5）： 1-5.

[6]刘权. 新旧路基不均匀沉降分析与控制技术研究[D]. 西安：长安大学， 2016.