山区高速公路改扩建路基拓宽沉降控制标准研究

工程建设标准化
山区高速公路改扩建路基拓宽沉降控制标准研究
■ 张永奇1 石 桥1 张万茂2，* 张栋梁1
（1. 中交路桥华南工程有限公司；2. 中南大学 资源与安全工程学院）
摘 要：经济的快速发展需要以更方便快捷的交通为支撑，为了满足交通需求的不断增长，最有效的方式就是对现有高速公路进行改扩建。

本文依托某山区高速公路改扩建实际工程，建立路基拓宽差异沉降路面有限元计算模型，综合考虑公路通车运营后路面材料的抗拉强度和疲劳特性，以变坡率0.10%和0.35%作为差异沉降控制标准的下界和上界，将路基差异沉降控制标准分为轻微、低、中、高四个等级，为山区高速公路改扩建工程路基拓宽工程的设计和施工提供理论依据。

关键词：公路改扩建，路基，差异沉降，控制标准
DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.24.040
Research on Standards for Settlement Control of Roadbed Widening in Mountain Highway Reconstruction and Expansion
ZHANG Yong-qi1 SHI Qiao1 ZHANG Wan-mao2, * ZHANG Dong-liang1（1. CCCC Bridge South China Engineering Co., Ltd.; 2. School of Resources and Safety Engineering, Central South
University）
Abstract:The rapid development of economy needs to be supported by more convenient and faster transportation, and the most effective way to meet the growing traffi c demand is to modify and expand the existing highway. This paper combines the actual project of a mountainous highway reconstruction and expansion, establishes the finite element calculation model of roadbed widening differential settlement control, takes into account the tensile strength and fatigue characteristics of the pavement material after the highway is opened for operation, takes the variable slope rate of 0.10% and 0.35% as the lower and upper bound of the differential settlement control standard, and divides the roadbed differential settlement control standard into four levels: slight, low, medium and high. It provides a theoretical basis for the design and construction of the roadbed widening project of the highway reconstruction and expansion project.
Keywords: highway reconstruction and expansion, roadbed, differential settlement, control standard
我国经济已进入信息化发展阶段，经济的发展需要以方便、快捷的交通为支撑，现有高速公路的运力不能满足现阶段和未来的交通需求，亟需扩大高速公路运输能力[1-2]。

尤其是我国缺乏土地资源。

为了满足交通需要，最行之有效的方式就是高速公路改扩建，与新建高速公路相比，高速公路改扩建可以有效利用原有路基，减少建设用地，缩短工程周期[3]。

因此，旧高速公路的改扩建将是目前我国高速公路发展的必然趋势。

广佛高速改扩建作为我国首条完成的公路扩建工程，紧随其后，我国开展了多条高速公路的改扩建。

目前公路改扩建还没有统一的建设标准，尽
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管国内外大量研究人员对高速公路改扩建等问题开展了研究，但都不够系统[4]。

近年来，大量学者结合高速公路加宽工程实例，利用数值模拟研究了路面、路基、地基间的相互作用，揭示了差异沉降下路面的力学响应，提出研究依托工程的差异沉降控制标准[5-9]。

但是，研究项目来源多位于平原地区，相应的研究成果是否适用于山区地质条件下的高速公路改扩建，仍值得进一步研究。

山区工程地质条件差异相对较大，在山岭重丘区开展高速公路改扩建项目时存在大量高填方路基，新旧路基拼接施工的差异沉降更明显。

为了防止新旧路基差异沉降造成路面结构层破坏，在改扩建路基设计时应建立相应的路基拓宽差异沉降控制标准，同时采取相应的控制措施以减小新旧路基差异沉降。

本研究结合广西壮族自治区某山区高速公路改扩建工程路基拓宽工程，根据路面材料力学特性建立路基加宽差异沉降控制标准。

研究成果可为山区高速公路改扩建工程路基拓宽工程的设计和施工提供理论依据。

1 工程概况
广西壮族自治区某高速公路改扩建工程第三合同段原有公路路基穿越于越城岭与架桥岭两大山脉，按高速山区公路标准建设，为双向四车道，设计速度80 km/h，路基宽度为21.5 m。

本改扩建项目主要采用两侧加宽方案，局部采用单侧拼宽和分离
式加宽，扩建后的八车道设计速度100 km/h，路基宽41.0 m。

本标段位于山岭重丘区域，路基回填高度最高可达33.76 m，回填土体在固结期间会发生显著沉降。

一般路基拼接设计图如图1所示。

2 路面差异沉降模型建立
根据新旧路基的差异沉降和所对应的路基宽度，用变坡率指标来表示新旧路基的差异沉降，进而评价路面结构的力学响应特征。

有限元计算的不均匀沉降与新旧路基实际变形情况有所差异，根据新旧路基的差异沉降曲线，将路基的差异沉降简化为在拼接处斜率突变的线性曲线，
如图2所示。

图2 差异沉降计算简化模型
图2中，y 0表示旧路中线处路基沉降；y 1表示旧
路路肩处路基沉降；
y 2表示新路路肩处路基沉降；x 1表示旧路路肩距离旧路中线的宽度；x 2表示路基拓宽宽度。

即旧路基最大差异沉降为：y 1-y 0，对应变坡率为(y 1-y 0)/x 1；
新路基最大差异沉降为：y 2-y 1，对应变坡率为(y 2-y 1)/x 2；
路基最大差异沉降为：
y =y 2-y 0，
对应变坡率为图1 一般路基拼接设计图
（y 2-y 0）/（x 1+x 2）。

采用有限元方法计算新旧路基差异沉降引起的附加应力，分析差异沉降作用下路面结构的面层、基层和底基层的力学响应特征。

对有限元模型作以下基本假设：
（1）路面为条形结构，将其视为平面应变问题；（2）将路面视为均质连续的弹性材料；（3）结构层沿竖向完全连续，高速公路运营后，差异沉降增长时路面结构层变形，层间无脱空现象；
（4）边界条件：最底层路面选用沉降位移边界，左边界选用位移约束，方向水平，其余边界自由。

结合依托工程项目的路面结构设计图纸和部分参考文献，路面各结构层的物理力学参数见表1。

路基加宽多采用两侧加宽的形式，取对称路基的一半进行研究分析，根据项目的实际情况，取旧路基宽11 m，新路基部分宽8 m，有限元模型网格情
况如图3所示。

图3 有限元计算模型网格图
3 路面差异沉降模拟结果
3.1 路面力学响应特征分析
新旧路基过大的差异沉降将导致路面承受一定的拉应力，路面材料的抗压强度较高，但抗拉强度较低。

根据新旧路基表面差异沉降变形曲线确定模型的下边界条件，计算出不同差异沉降下路面各结构层的力学响应特征，路面结构最大拉应力曲线如图4所示，路面结构最大主应力随路面深度变化
曲线如图5所示，不同差异沉降下路面最大拉应力
结果见表2。

图4 不同差异沉降下路面结构最大拉应力曲线表2 差异沉降下路面拉应力计算结果表（MPa）结构层差异沉降2cm 4cm 6cm 8cm 10cm
面层
0.280.560.85 1.13 1.41基层0.200.390.590.780.98底基层0.030.070.120.170.21底基层
0.03
0.07
0.120.17
0.21
由图4和表2可以看出，路面结构最大拉应力随差异沉降的增长呈正相关变化关系，最大差异沉降
从2 cm变化到10 cm，即变坡率由0.1%增长到0.5%时，面层最大拉应力由0.28 MPa增长到1.41 MPa，底基层最大拉应力由0.03 MPa变为0.21 MPa。

差异沉降相同时，沥青路面结构受拉应力大小关系为面层>基层>底基层。

由图5可以看出，不同路基最大差异沉降下路面结构最大主应力沿深度方向变化趋势一致。

由底基层底面到面层顶面，路面最大主应力基本表现为线性变化，底基层压应力随之降低，在基层某范围处由拉应力转为拉应力，且面层顶面拉应力最大。

依据《公路沥青路面设计规范》[10]，
对于路面表1 路面结构物理力学参数
层位
材料厚度/cm 容重γ（kN/m3）
弹性模量E（MPa）
泊松比μ面层沥青混凝土192412000.25基层水泥稳定碎石602315000.25底基层
集配碎石功能层
15
23
1000
0.25
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材料的劈裂强度，面层和基层分别为1.15 MPa和0.65 MPa。

根据数值模拟结果，当差异沉降为10 cm 时，面层受到1.41 MPa的拉应力；差异沉降为8 cm 时，最大拉应力降至1.13 MPa，线性插值可得差异沉降为8.14 cm时，面层拉应力达到极限状态，路面可能出现破坏。

当差异沉降为8 cm和6 cm时，基层所受拉应力为0.78 MPa和0.59 MPa，计算得差异沉降为6.63 cm时，基层拉应力达到极限状态。

有限元计算结果可知底基层在不同最大差异沉降时受到的最大拉应力均很小，远低于基层的劈裂强度。

由此可得，对于不同情况的路基差异沉降，基层所受拉应力均最先接近临界状态。

因此，根据不同差异沉降下路面结构的力学响应特征，以基层破坏时的应力作为沉降控制指标，即沥青路面能抵抗6.63 cm的最大差异沉降，对应的变坡率为0.35%。

3.2 路面结构疲劳破坏分析
高速公路改扩建新旧路基差异沉降发展较为漫长，路面结构层的应力状态不断变化。

以路面结构层的最大拉应力作为判定面层是否破坏，只考虑了路面的短期行为。

在交通荷载的长期循环作用下，路面材料的容许应力出现明显衰减。

《公路沥青路面设计规范》[10]规定沥青路面的应力控制标准：结构层所受最大拉应力不能超过材料的容许应力，即
（1）
高速公路长期运营后，沥青路面所受拉应力高于路面材料容许应力时，即，路面可能出现
裂缝。

其中：
（2）
式中：σR ——容许拉应力，MPa；σsp ——劈裂强度，MPa；K s ——抗拉强度结构系数。

沥青混凝土面层：
（3）
无机结合料稳定基层：
（4）
式中：A c 为等级系数，高速公路取1.0；A a 为沥青混合料级配系数；N e 为单车道总计当量轴次。

由上式计算可得路面结构面层容许拉应力分别为0.30 MPa，基层为0.29 MPa，根据有限元计算结果，线性插值可得最大差异沉降为2.14 cm时，面层拉应力极限状态；差异沉降为2.95 cm时，基层拉应力达到极限状态。

以路面材料疲劳破坏时的应力作为沉降控制标准，即差异沉降最大值为2.14 cm，此时的变坡率为0.11%。

4 差异沉降控制标准分级
道路通车运营后，拓宽路基的沉降控制标准应综合考虑材料的抗拉强度和疲劳特性。

路面材料的强度衰减是路面变形的主要原因，取权重系数为6；考虑材料的抗拉强度时，取权重系数为4，计算加权平均值确定新旧路基沉降控制标准，则：
（5）
新旧路基差异沉降控制最大值为3.936 cm，对应的变坡率为0.21%。

疲劳特性对应的沉降控制值最严，极限抗拉强度对应的沉降控制值最宽，故以容许值2.14 cm和变坡率0.11%作为控制标准的低限，以容许值6.63 cm和变坡率0.35%作为控制的高限。

因此，以变坡率0.10%为沉降控制的下界，变坡率0.35%为沉降控制上界，
将路基差异沉降控制标
图5 路面不同深度处结构最大主应力曲线
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准分为轻微、低、中、高四个等级，具体分级结果见表3。

表3 差异沉降控制标准分级
差异沉降等级轻微低中高容许最大差异沉降/cm<2.00 2.00~3.803.80~6.65>6.65容许最大变坡率/%<0.100.10~0.200.20~0.35>0.35当路基最大差异沉降等级为“轻微”时，即路面结构受力状态良好，不需处理；当最大差异沉降等级为“低”时，可对路基稍加处理；当最大差异沉降等级为“中”时，应选用合适的填筑方案以减小差异沉降；当最大差异沉降等级为“高”时，必须对路基和地基进行处理。

5 结 论
本研究结合某山区高速公路改扩建实际工程，利用有限元计算方法建立路基拓宽差异沉降控制标准。

综合考虑公路通车运营后路面材料的抗拉强度和疲劳特性，以变坡率0.10%和0.35%作为差异沉降控制标准的下界和上界，将路基差异沉降控制标准分为轻微、低、中、高四个等级。

研究成果可为山区高速公路改扩建工程路基拓宽工程的设计和施工提供理论依据。

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作者简介
张永奇，本科，工程师，研究方向为公路工程、交通土建、路基工程。

石桥，本科，助理会计师，研究方向为公路工程施工及成本控制、工程管理。

张万茂，通信作者，硕士，研究方向为岩土工程灾害防控。

张栋梁，本科，助理工程师，研究方向为公路工程。

（责任编辑：刘宪银）
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